以下文章来源于第一性原理计算，作者为公司CTO谢周兵
在低铱负载量下实现稳健的长期耐用性和高催化活性仍然是质子交换膜水电解装置（PEMWE）面临的巨大挑战之一。
2024年9月20日，吉林大学邹晓新团队在Angew. Chem. Int. Ed.期刊发表题为“Honeycomb-Structured IrOx Foam Platelets as the Building Block of Anode Catalyst Layer in PEM Water Electrolyzer”的研究论文，团队成员谢周兵为论文第一作者，梁宵、邹晓新为论文共同通讯作者。
该研究报道了包含边缘共享的IrO6八面体蜂窝骨架的氧化铱泡沫片的低温合成方法，并证明了该材料在原子到微观尺度上对PEMWE阳极催化剂层进行多级调节的结构优势。将IrO6八面体蜂窝骨架、泡沫状织构和片状形态集成到单一材料系统中，确保了用于析氧反应（OER）的高活性和稳定的铱催化位点的生成和暴露，同时有助于减少催化剂层传质的损耗和电子电阻。作为概念验证，基于蜂窝状结构IrOx泡沫片的单电池PEMWE中的膜电极组件在低铱负载（约0.3 mg Ir/cm²）下，展现出了在安培级电流密度下的高催化活性，并在超过2000小时的运行中保持稳定。
DOI：10.1002/anie.202415032
该研究提出了一种基于蜂窝状结构的氧化铱泡沫片（H-IrOx FPs）作为阳极催化剂材料的低铱负载、高性能膜电极组件（MEA）的制备方法。H-IrOx FPs 的结构特性使其在从原子到微观尺度的阳极催化剂层结构多级优化中具有出色的能力。IrO6蜂窝状骨架与泡沫状织构的结合有利于高效铱催化位点的暴露，而泡沫织构与片状形态的组合则有助于制备具有丰富传质通道和低电子电阻的连续催化剂层。因此，低铱负载的MEA能够在低电压下（3 A/cm²@1.94 V@80℃）提供安培级电流密度，并在超过2000小时的运行中保持高催化性能。该研究强调了在多个尺度上对阳极催化层进行结构设计的重要性，为开发适用于质子交换膜水电解槽（PEMWE）的高性能、低成本催化剂开辟了新途径。
图1. 展示了以H-IrOx FPs作为阳极催化剂的阳极催化剂层的多级结构优化示意图。PEM和PTL分别是质子交换膜和多孔传输层的缩写。
图2. a） H-IrOx FPs合成过程的示意图。b）H-IrOx FPs的层状IrO6八面体蜂窝框架和IrO2的金红石结构IrO6八面体框架。c）H-IrOx FPs、H-IrOx SPs和R-IrO2 NPs的XRD图谱。图中还显示了金红石结构IrO2的标准卡片（JCPDS编号15-0870）和具有层状蜂窝框架的H-IrOx SPs的模拟XRD图谱。d）H-IrOx FPs、H-IrOx SPs、R-IrO2 NPs和铱箔的Ir L3边X射线吸收近边结构（XANES）。e）H-IrOx FPs、H-IrOx SPs和R-IrO2 NPs的扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）的k³加权傅里叶变换（无相位校正）。f）H-IrOx FPs、H-IrOx SPs和R-IrO2 NPs的X射线配对分布函数图谱（PDF）。
图3. a）H-IrOx FPs的扫描电子显微镜（SEM）图像。b）H-IrOx FPs的透射电子显微镜（TEM）图像及其选区电子衍射（SAED）图（插图）。c）H-IrOx FPs的典型三维模型。d）从三维模型中提取的局部模型，用于反映H-IrOx FPs的内部多孔结构。
图4. a）H-IrOx FPs、H-IrOx SPs和R-IrO2 NPs在析氧反应（OER）中的85% iR校正线性扫描伏安法（LSV）曲线。插图显示了它们在10 mA/cmgeo²下的过电位。b） H-IrOx FPs、H-IrOx SPs和R-IrO2 NPs在1.53 V（相对于RHE）下的赝电容电荷（Qs）和Q归一化的OER活性（jQ）。c） H-IrOx FPs、H-IrOx SPs和R-IrO2 NPs与文献中报道的代表性电催化剂的铱质量活性（jIr）对比。d）H-IrOx FPs、H-IrOx SPs和R-IrO2 NPs在10 mA/cmgeo²电流密度下的计时电位曲线（未进行iR校正）。e）H-IrOx FPs、H-IrOx SPs和R-IrO2 NPs在12小时OER催化过程中电解液中浸出的铱含量。插图显示其在10小时OER催化中的稳定性数值（S值）。
图5. a）在HClO₄水溶液中，pH范围从0到1.5时，H-IrOx FPs和R-IrO₂ NPs在析氧反应（OER）中的活性差异。b）H-IrOx FPs和R-IrO₂ NPs在1 mA/cm²电流密度（jgeo）下的pH依赖性。c）H-IrOx FPs在不同电位下的原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）。d）R-IrO₂ NPs在不同电位下的原位FTIR光谱。OCP代表开路电位。e）使用¹⁸O标记的H-IrOx FPs在OER过程中的O₂产物的差分电化学质谱（DEMS）信号。f）H-IrOx FPs和R-IrO₂ NPs从DEMS信号获得的¹⁸O/¹⁶O比率。g）¹⁸O标记的H-IrOx FPs的AEM和OPM机理示意图。
图6. a）H-IrOx FPs的理论模型，展示了三种不同的铱位点（即，edge-Ir，edge-Ir'和in-plane-Ir）。b）在1.23 V下AEM机理中，edge-Ir、edge-Ir'和in-plane-Ir的吉布斯自由能图。c）基于吸附能描述符（即ΔGO*-ΔGOH*）的火山型理论过电位关系。d）三种铱位点分别吸附氧后产生的差分电荷密度，以及Bader电荷转移数。e）edge-Ir、edge-Ir'和in-plane-Ir上氧化中间物的Ir-O相互作用的晶体轨道哈密顿布居（COHP）。插图展示了它们的积分COHP（-ICOHP）值。
图7. a）质子交换膜水电解槽（PEMWE）的示意图（PEM：质子交换膜；CL：催化剂层；PTL：多孔传输层；BP：双极板；CC：集流器；EP：端板）。b）基于H-IrOx FPs的阳极催化层的扫描电子显微镜（SEM）图像，插图显示其横截面视图。c）催化剂涂层膜（CCM）的横截面SEM图像及元素映射。注意：Ir Mα峰的能量位置与Pt Mα峰非常接近，但可以通过C Kα峰进行区分。d）使用H-IrOx FPs、H-IrOx SPs和 R-IrO₂ NP作为阳极催化剂的PEMWE稳态极化曲线。e）H-IrOx FPs基电解槽的ηKinetic（动力学过电位）、ηOhmic（欧姆过电位）和ηTransport（传质过电位）的相对贡献。f）在2.5 A/cm²电流密度下，H-IrOx FPs、H-IrOx SPs和R-IrO₂ NPs基电解槽的 ηKinetic、ηOhmic和ηTransport对比。插图显示了H-IrOx FPs相较于R-IrO₂ NPs在电压损失优化方面的权重（ηKinetic、ηOhmic和ηTransport）。g）H-IrOx FPs基电解槽在1、2和3 A/cm²递增电流密度下的计时电位曲线（对同一电解槽的连续测试）。
总之，该研究提出了氧化铱泡沫片作为新型析氧反应（OER）电催化剂，有效推进了质子交换膜水电解槽（PEMWE）中阳极催化层的多级结构优化。通过将共享边缘的IrO6八面体蜂窝状骨架与泡沫状织构相结合，H-IrOx FPs促进了高活性和稳定的铱位点的暴露，这对于提高OER动力学至关重要。泡沫织构和片状形态的结构协同作用有助于制备薄而连续的催化剂层，能够减少传质损失和电子电阻。在低铱负载下，基于H-IrOx FPs的电解槽表现出卓越的性能，在相对较低的电压下（2.1 A/cm²@1.8 V和3.4 A/cm²@2.0 V）实现了安培级电流密度，并在超过2000小时的时间内保持稳定。这些成果突显了在电催化剂中进行多级结构优化的重要性，并进一步引导未来针对特定应用设计功能化材料的研究。
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