质子交换膜水电解槽(PEMWE)具有比碱性水电解槽更低的电阻损失、更少的气体渗透和更高的电流密度，是生产清洁氢气(H2)燃料的一种可持续途径。目前，水电解的整体效率主要受限于具有缓慢动力学的阳极析氧反应(OER)，其包括缓慢的四个质子耦合的电子转移过程。此外，在高酸性氧化状态下，特别是在高电流密度下，活性位点的降解严重限制了PEMWE器件的大规模应用。
尽管Ir基金属氧化物(IrOx)已被广泛用于水电解，但它们的质量活性低、过电位高、成本高，以及在高电流密度下不能实现持续的高活性和耐久性。因此，开发具有增强的电催化性能和良好的长期耐久性的酸稳定低Ir电催化剂对于促进PEMWE装置的实际应用具有重要意义，但它仍然是一个巨大的挑战。近日，中国科学技术大学刘庆华、湖南师范大学廉世勋和苏徽等采用阳离子交换和随后的快速退火-冷却策略制备了一种低Ir电催化剂，其中Ir原子位于拉伸应变Mn氧化物的表面Mn位点(TS-Ir/MnO2)。限制在耐酸MnO2中的扭曲的正方形平面(Ir-O4)部分引入的张应变可以增强Ir-O键的共价性，从而提高反应过程中的去质子化能力，并增加键与金属d带的轨道重叠程度。尤其是MnO2表面的拉伸应变可以调控Ir中心的吸附行为，加速*OH在表面氧空位的去质子化，从而有效地防止Ir中心的局部过氧化和减少溶解，保持催化剂的结构完整性。因此，在TS-Ir/MnO2表面上发生的酸性OER反应遵循连续的局部晶格氧介导(L-LOM)机制，其导致催化剂在198 mV 的过电位下产生1025 A gIr-1的高质量活性，电流密度为10 mA cm-2，分别比Ir-MnO2(54 A gIr-1)和商业IrO2(2.7 A gIr-1)高约19和380倍。最重要的是，原位同位素标记SRIR证实了H2O分子在表面氧空位上的快速吸附和*OH在晶格氧原子上的快速去质子化，从而引发连续的L-LOM催化反应以稳定表面Ir活性位点。因此，在200和500 mA cm-2电流密度下，TS-Ir/MnO2催化剂在三电极体系和PEMWE装置中分别可稳定电解100和200 h，且性能衰减可忽略，显示出良好的实际应用潜力。总的来说，该项工作不仅展示了一种稳定、高活性的催化剂，促进了质子交换膜电极的工业应用，而且提供了一种利用拉伸应变诱导L-LOM机制来提高各种催化反应活性和持久性的有效策略。Tensile straining of iridium sites in manganese oxides for proton-exchange membrane water electrolysers. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-023-44483-6
目前评论：0