长春应化所徐维林课题组: 非晶-晶态IrNiOₓ/WO₃异质耦合助力高效稳定酸性全解水

第一作者：张慧敏

通讯作者：韩策，徐维林

通讯单位：中国科学院长春应用化学研究所，中国科学技术大学

论文DOI：10.1021/acscatal.5c02782

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在酸性介质中开发兼具高效与稳定性的双功能电催化剂以同时驱动析氧反应（OER）和析氢反应（HER）具有重要意义，但仍面临巨大挑战。本文设计并合成了一种新型双功能催化剂IrNiO_x/WO₃，其由高活性的非晶态IrNiO_x与稳定的晶态WO₃构成异质结构，并负载于碳布基底上。得益于大量异质界面带来的显著电子相互作用，该催化剂在Ir负载量仅为0.8 wt%的情况下，即可在0.5 M H₂SO₄中实现10 mA cm^-2的电解水反应，仅需1.539 V电压，且可稳定运行超过100小时。实验与理论计算揭示，非晶IrNiO_x中Ir-O-Ni构型的Ir位点为HER和OER的主要活性中心，且其与晶态WO₃之间的强电子作用有效降低了反应能垒，加速了电催化动力学过程。本研究为构建非晶态-晶态异质电催化剂提供了新的设计策略。

背景介绍

电解水制氢作为一种绿色可持续的氢气生产方式，因其原料丰富、环境友好，被认为是实现“碳中和”目标和未来能源转型的重要技术路径。其中，酸性介质下的电催化水分解因动力学优势和较高的离子导电性，在工业应用中具有广阔前景。然而，目前广泛使用的贵金属催化剂（如Ir、Pt等）存在成本高、资源稀缺及易失活等问题，严重制约了其大规模应用。尤其是在酸性环境中，催化剂不仅需兼具高活性，还需具备优异的稳定性以抵抗强氧化和腐蚀环境。近年来，通过调控催化剂的电子结构和界面特性，以实现高效双功能（OER/HER）电催化成为研究热点。构建异质结构，尤其是无定形-晶体界面，已被证实能够有效提高催化活性和材料稳定性。无定形材料因其丰富的缺陷和活性位点，具有优异的催化动力学；而晶相则有助于结构稳定和电子传导。如何合理设计和调控无定形-晶体异质结构，充分发挥界面协同效应，已成为发展高效、低成本电催化剂的关键科学问题。在此背景下，开发新型结构与功能兼优的双功能电催化剂，对推动酸性水分解技术的应用与发展具有重要意义。本研究即聚焦于非晶-晶态异质结构调控策略，探索构建高性能酸性双功能催化剂的新路径。

本文亮点

本研究针对酸性条件下水分解反应中高效、稳定双功能电催化剂的需求，设计并合成了新型无定形-晶体异质结构IrNiO_x/WO₃催化剂。其研究亮点如下：

(1) 异质结构界面工程：通过构建无定形IrNiO_x与晶态WO₃的界面，显著提升了电催化剂的电子结构调控能力，实现了高效的电荷转移和界面耦合作用。

(2) 超低贵金属负载与高利用率：Ir负载量仅为0.8 wt%，在保持低成本的同时，提高了Ir的催化利用效率，质量活性远超商业IrO₂和Pt/C。

(3) 卓越的双功能催化性能：在酸性介质中，IrNiO_x/WO₃催化剂在10 mA cm^-2电流密度下，仅需18 mV和239 mV的过电位即可分别驱动HER与OER，展现出卓越的双功能活性，同时在1.539 V电压下实现高效全水分解，并稳定运行超过100小时。

(4) 机理揭示与理论支撑：通过系统的结构表征和DFT计算，阐明了Ir-O-Ni位点中是Ir作为双功能活性中心，揭示了界面耦合对能垒降低和反应动力学提升的关键作用。

图文解析

图1展示了IrNiO_x/WO₃催化剂的逐步合成过程及其形貌特征。首先，通过水热-煅烧法在碳布基底上原位生长WO₃纳米针阵列。随后采用电沉积方式在WO₃表面形成NiO_x层，并通过在H₂IrCl₆溶液中化学蚀刻，引入Ir形成非晶IrNiO_x包覆层。XRD图谱显示WO₃有明显晶面衍射峰，而Ir和Ni的信号未检测到，表明其为无定形态。SEM和HAADF-STEM图像进一步揭示，该催化剂保持纳米针状结构，表面均匀包覆无定形IrNiO_x层。元素映射证实Ir、Ni、W、O均匀分布在整个异质结构上，形成大量无定形-晶体界面。

图1. IrNiO_x/WO₃的构筑过程与界面结构

图2展示了IrNiO_x/WO₃及对比样品的元素价态和电子结构。XPS结果表明，WO₃中W元素为W⁶⁺，而Ni主要以Ni²⁺形态存在于IrNiO_x无定形相中，Ir为Ir⁴⁺。与WO₃和NiO_x/WO₃相比，IrNiO_x/WO₃中各元素结合能出现位移，说明Ir的引入诱导了NiO_x向Ir和WO₃的电荷转移，调控了材料的本征电子结构。此外，EPR测试结果显示，IrNiO_x/WO₃中氧空位及自由电子数量适中，有助于提升催化活性与电子传输效率。

图2. 界面电子结构调控分析

图3系统评估了IrNiO_x/WO₃在酸性条件下的OER性能。极化曲线显示，IrNiO_x/WO₃在10 mA cm^-2时仅需239 mV过电位，优于商业IrO₂。质量活性达到816.87 A g_Ir^-1，远高于对比样品。Tafel斜率低至64.28 mV dec^-1，展现出优异的OER动力学。EIS图谱表明其电荷转移最快。其C_dl与ECSA明显高于WO₃和IrO₂，证明IrNiO_x/WO₃暴露了更多活性位点。长期稳定性测试显示，IrNiO_x/WO₃在100小时内性能几乎无衰减。

图3. IrNiO_x/WO₃在酸性介质中的OER性能

图4展示了IrNiO_x/WO₃在HER和整体水分解中的表现。HER测试显示，其在10 mA cm^-2下仅需18 mV过电位，优于商业Pt/C。质量活性达1595.22 A g_Pt^-1。ECSA归一化后，HER内在活性仍高于对照组。长期测试下HER性能稳定。双电极体系下，IrNiO_x/WO₃作为阳极和阴极，可在1.539 V电压下实现10 mA cm^-2水分解电流，且催化剂稳定性出色，气体产量与理论值吻合，法拉第效率高。

图4. IrNiO_x/WO₃在酸性电解质中HER与整体水分解的性能

图5则通过DFT理论计算揭示了IrNiO_x/WO₃异质结构界面的反应机理。理论模型和能带结构分析显示，无定形IrNiO_x与晶体WO₃之间的强界面电子相互作用，优化了反应中间体（如 *OH、*O 和 *OOH）在表面的吸附能，使得析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的关键步骤的自由能变化显著降低。Ir-O-Ni中的Ir位点为主要催化活性中心，界面调控显著提升了整体水分解的催化效率。

图5. 异质结构界面的DFT计算与反应机理

总结与展望

本研究通过界面工程，成功构建了非晶态IrNiO_x与晶态WO₃组成的异质结构催化剂，并系统揭示了其在酸性介质中高效稳定驱动整体水分解的结构-性能关系。实验结果显示，该催化剂在极低Ir负载下，兼具优异的OER和HER双功能电催化性能和长期工作稳定性。理论计算进一步阐明了Ir-O-Ni构型Ir位点的活性本质以及界面电子相互作用对能垒降低和动力学提升的关键作用。本工作不仅为酸性水分解领域提供了一种高效、低成本、长寿命的双功能电催化剂设计方案，也为无定形-晶态界面调控和协同机制的理解提供了新视角。

文献信息

Zhang, H.; Song, P.; Mei, X.; Zhang, D.; Liu, C.; Chu, M.; Zhang, T.; Han, C.; Xu, W. Amorphous-Crystalline Interface Coupling of IrNiO_x/WO₃for Efficient and Stable Acidic Water Splitting. ACS Catalysis, 2025, 15, 12395-12406.

https://doi.org/10.1021/acscatal.5c02782

课题组介绍

本课题组长徐维林长期致力于电催化能源材料、绿色氢能、界面工程与先进功能材料等前沿领域的基础与应用研究。近年来，课题组在电催化水分解、二氧化碳还原，单分子能源催化等方面取得了一系列创新成果，相关研究成果发表在ACS Catalysis、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy & Environmental Science等国际权威期刊。课题组坚持“面向国家重大需求，服务绿色低碳发展”，积极推动基础研究与实际应用的结合，欢迎对新能源催化材料、界面调控、清洁能源转换等方向感兴趣的同学加入我们，共同探索能源与材料科学的无限可能！

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