氫能被視為推動可再生能源發(fā)電規(guī)模化的最佳能源載體，而電解水制氫則是實現此目標的重要途徑之一。在眾多電解水制氫技術中，質子交換膜電解水技術(Proton Exchange Membrane，PEM)具有裝置緊湊(≤0.3 m2)、電流密度大(>1 A cm-2)、產氫純度高(≥99.99%)、動態(tài)響應快(毫秒級)等諸多優(yōu)勢。然而，PEM中陽極氧析出反應(Oxygen Evolution Reaction，OER)存在電子轉移數多、動力學緩慢、過電位高等問題，制約了水分解反應的整體效率。要解決這一問題，必須從反應機理層面出發(fā)，基于OER反應的本質，合理設計催化劑材料結構。
 

　　然而，普遍接受的吸附中間體演化機制(Absorbate Evolution Mechanism，AEM)和晶格氧參與機制(Lattice Oxygen Mechanism，LOM)難以同時兼顧活性和穩(wěn)定性。因此，各種新型反應路徑被不斷提出，以期進一步解釋和指導高活性析氧催化劑的合成。在眾多新型反應機制中，氧化路徑機制(Oxide Pathway Mechanism，OPM)是一種理想的兼顧活性和穩(wěn)定性的反應路徑。該機制通過直接偶聯兩個鄰位的表面氧自由基生成氧分子，在抑制*OOH生成的同時，避免了氧缺陷的產生。然而，OPM機制中鄰位氧自由基的直接耦合(*O-*O)對催化劑雙活性位點的原子尺度和電子結構提出了嚴苛要求。目前，對于OPM機制型催化劑的開發(fā)主要集中在釕基催化劑上，而已大規(guī)模商業(yè)化的銥基材料在OPM機制方面仍然停滯不前。
 

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所氫能與儲能材料技術實驗室王宇楠研究員、陸之毅研究員及其團隊成員，共同合作利用堿土金屬氧化物(Sr(OH)2)作為模板及元素摻雜劑，首次成功制備了銥基OPM型催化劑Sr-IrOx，即(200)晶面高度暴露的鍶摻雜IrOx(如圖1)，提升了PEM中陽極氧化反應的效率和穩(wěn)定性。得益于IrO2(200)面上高密度可用的相鄰銥位點，以及鍶對Ir-O共價性的有效調控，Sr-IrOx能夠在酸性水氧化過程中促進直接氧-氧耦合，繞過生成*OOH中間體的高能屏，實現在酸性環(huán)境下高效穩(wěn)定的OER。在質子交換膜電解水器件中，Sr-IrOx在1A cm-2電流下可穩(wěn)定工作超500小時(如圖2)。Sr-IrOx電催化劑的優(yōu)異性能為未來大規(guī)模的酸性水電解制氫應用奠定了堅實的基礎，有望推動氫能生產技術的商業(yè)化進程。
 

　　該項研究成果以“Strontium Doped IrOx Triggers Direct O-O Coupling to Boost Acid Water Oxidation Electrocatalysis”為題，發(fā)表在國際知名期刊Angewandte Chemie International Edition上(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202418456)。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃(2021YFA1502200)、國家自然科學基金(22405284)、浙江省重點研發(fā)計劃(2022C01158)、寧波市科技創(chuàng)新2025重點專項(2022Z205)、寧波市“甬江引才工程”(2021A-036-B)等項目的支持。
 

圖1 Sr-IrOx的合成示意圖及結構表征
 

圖2 Sr-IrOx的電化學/器件性能及機理示意圖