质子交换膜（PEM）水电解技术能够与波动的可再生能源直接耦合进行制氢，不仅可以确保电网安全，还可以实现可再生资源的再分配，是实现碳中和的重要技术基础。然而，由于PEM水电解的酸性环境，该技术目前严重依赖酸性条件下稳定的贵金属铱作为阳极催化剂。然而，铱是地球上最稀缺的资源之一，年产量仅6-8吨，其稀缺性给PEM水电解制氢技术的规模化带来了严峻挑战。
鉴于此，李爱龙、孔爽和Ryuhei Nakamura研究团队发现并利用锰（Mn）与铱（Ir）之间的特殊亲和作用，研发出了一种高度稳定且原子分散的六价铱催化剂（IrVI-ado）。在维持高活性和高稳定性的前提下，该催化剂将铱的载量降低到0.1 mg/cm²以下，相比当前PEM水电解的铱载量（2-4 mg/cm²）减少了95%以上。与目前使用的价态为4+的铱催化剂相比，该新型催化剂具有更高的价态（6+），并且以原子级分散于γ-MnO₂表面。这种6+高价态提高了铱的本征活性和稳定性，而原子级分散实现了接近100%的铱元素利用率。该团队对Ir催化剂的合成、结构特征和PEM水电解性能进行了全面解析，明确了Mn和Ir的相互作用，并验证了0.1 mg/cm²以下载量的铱在PEM电解装置中的优越性能。
该研究成果以”Atomically dispersed hexavalent iridium oxide from MnO₂ reduction for oxygen evolution catalysis“为题发表在Science上。论文通讯作者是李爱龙，Ryuhei Nakamura；第一作者是李爱龙，孔爽。
图1：（A）IrⅥ-ado催化剂的合成过程，包括将电沉积法制备的MnO₂/PTL电极浸入95℃的K₂IrCl₆前驱体溶液中的Ir吸附过程和随后在450℃煅烧的热处理过程。（B）Ir L₃吸收端的X射线吸收光谱随时间变化图。由于L₃吸收端向高能量方向移动，表明Ir的氧化数增加。（C）Ir L₃吸收端的径向结构函数随时间的变化图。
图2：（A）膜电极的横截面SEM图像。（B~E）图A中黄色方框区域的放大SEM图（B）及使用能量色散X射线光谱法（EDX）元素映射测得的Ti（C）、Mn（D）和Ir（E）的空间分布。（F）含0.08 mg Ir/cm²的IrⅥ-ado催化剂的活性。（G）含0.08 mg Ir/cm²的IrⅥ-ado催化剂的耐久性试验结果。电解在80℃、1.8 A/cm²的恒定电流条件下进行。
图3：IrⅥ-ado催化剂与文献报道的Ir催化剂的比较。罗马数字（Ⅰ至Ⅳ）对应IrⅥ-ado催化剂的活性和稳定性数据。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adg5193
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