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吉林大学邹晓新、陈辉Nat. Commum.：PEM电解槽用低铱负载型催化剂

动量守恒绿色能源

2023-08-27

导读：原滋原味的论文解读，让您准确的把握最新前沿！

▲第一作者：王元男

通讯作者：邹晓新、陈辉

通讯单位：吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室

论文DOI：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40912-8

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全文速览

针对质子交换膜（PEM）电解槽膜电极催化层铱载量高的问题，本工作通过载体和负载技术结合创新，研发了高活性、高导电性的低铱负载型催化剂IrO₂@TaB₂。该负载型催化剂同时具备了酸稳定性、高电导性、大比表面积等特点，实现了小尺寸IrO₂的均一致密负载。由于载体的“锚定-限域”效应，其催化活性和稳定性都优于商业IrO₂催化剂。依据新型催化剂制备的PEM膜电极，Ir载量降至0.15 mg/cm²，相比于传统膜电极的Ir载量降低了近90%；同时膜电极呈现了优异的催化性能，PEM电解槽性能达到2.0 V@3.1 A/cm²@80 ^oC，超过美国能源部公布的2023年技术指标。

02

背景介绍

PEM电解水技术具有能耗低、效率高、氢气品质好、运行可靠等诸多优点，尤其是所具有的高度灵活性及优异的功率调节功能，非常契合风、光、水等可再生能源波动性特点。目前商用PEM电解槽析氧催化剂是以IrO₂为代表的铱基催化剂，膜电极铱载量通常高达2-4 mg/cm²。铱资源极其匮乏且价格高昂，很多国家（如美国能源部、中国科技部）制定了明确的时间表和路线图，致力于大幅度降低铱用量。使用适当的催化剂载体有助于减少贵金属的负载量和提高催化性能。然而阳极析氧反应的强酸、强氧化性工作环境，使得传统载体材料（碳、金属氧化物等）难以达到理想效果。设计合成高导电、强耐蚀、大表面的新型载体材料和负载型铱催化剂十分重要。

03

图文解析

在熔盐介质中通过硼热还原法合成了9种二硼化物（图1）。达到一定温度后，气态含硫产物的熵值驱动反应自发进行。通过XRD、氮气吸附和TEM等表征证明了制备了纯相、大表面、高结晶度的二硼化物。其中TaB₂的比表面积大、酸稳定性好、电导率高，非常有潜力作为酸性OER催化剂载体材料。

▲图1 硼化物的合成与结构表征。

以TaB₂为载体，通过改进的Adams熔融法，制备了一系列不同铱Ir负载量（4-40%）的IrO₂@TaB₂，实现了1-2 nm的IrO₂颗粒均匀致密锚定在TaB₂纳米片表面（图2）。表征发现，IrO₂颗粒相互连接，与金属性TaB₂载体共同构成电子传输网络；同时，TaB₂表面的无定形氧化层（TaO_x）与IrO₂纳米颗粒具有强电子相互作用。

▲图2 IrO₂@TaB₂的电子显微镜表征。

首先在三电极体系中测试了IrO₂@TaB₂的本征活性和催化机制（图3）。IrO₂@TaB₂的Ir质量活性是IrO₂的10倍，催化稳定性优异，催化过程遵循典型的吸附演化机理（AEM）。IrO₂@TaB₂表面的IrO₂/TaO_x形成异质结，功函差驱使电子从TaO_x的导带流向IrO₂，使得IrO₂的反键轨道被电子填充得更充分，削弱了对氧中间体的吸附能，从而提高了析氧本质活性。

▲图3 IrO₂@TaB₂的析氧活性和催化机理。

接下来以IrO₂@TaB₂为阳极催化层（0.15 mg_Ircm^-2）、商业Pt/C为阴极催化层（0.27 mg_P_tcm^-2）制备膜电极，在PEM电解槽中评估应用潜力（图4）。在如此低贵金属载量下，电解槽在1.9 V电压下的电流密度为2.52 A cm^-2，在电解槽性能和铱载量方面达到美国DOE 2023目标。电解槽运行120 h没有明显电压上升，具有高稳定性。通过电化学阻抗谱分析了电解槽的欧姆损耗、活化损耗和扩散损耗，发现相比于纯IrO₂均有降低。

▲图4 IrO₂@TaB₂在PEM电解槽中的催化性能。

04

总结与展望

报道了一种熵驱动二硫化物向二硼化物转化的合成策略，可以制备大比表面积的金属二硼化物。提出了高导电性、强耐腐蚀和大比表面积硼化物材料作为IrO₂载体，实现了PEM电解槽膜电极催化层铱载量的大幅度降低，有助于推动低铱负载型阳极催化剂在工业PEM电解槽中的实际应用。

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通讯作者简介

邹晓新，吉林大学教授、博士生导师，入选国家科技创新领军人才（2022年）和“万人计划”青年拨尖人才（2019年），主持基金委优秀青年科学基金项目（2020年）。长期从事氢能源材料化学研究，旨在交叉无机固体材料的结构化学、合成化学及催化化学，揭示材料设计与性能的原子结构基础，创制新型催化材料，发展绿色、宏量制备方法，推动基础研究成果产业化。在JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Nat. Commun.等学术刊物上发表SCI论文100余篇。

课题组链接：

http://www.zouxxgroup.com/

陈辉，吉林大学化学学院，无机合成与制备化学国家重点实验室，研究员、博士生导师。针对电解水技术对催化电极材料的应用需求，开展无机氢能源催化材料的合成化学与应用技术研究，致力于发展新型催化材料及其宏量制备技术。以第一/通讯作者身份在Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、ACS Catal.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表学术论文30余篇；曾入选中国博士后创新人才支持计划，获得全国博士后创新创业大赛优胜奖；主持国家自然科学基金面上项目/青年项目、吉林省科技厅/教育厅科研项目、中国博士后科学基金特别资助/面上资助等科研项目。

个人主页：

https://teachers.jlu.edu.cn/chenh

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40912-8

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