近日，国际知名学术期刊Energy & Environmental Science以“Tetragonal ZrO2 supported low-iridium catalyst activating oxygen spillover stabilized lattice oxygen for proton exchange membrane water electrolysis”为题，在线报道了我校材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在质子交换膜电解水制氢低铱催化剂领域的最新研究成果。
质子交换膜（PEM）电解水制氢具有高制氢速率、高氢气纯度、快速响应和紧凑设计等优点，使其成为可再生能源制氢领域最有前途的技术之一。迄今为止，铱（Ir）基催化材料因其出色的稳定性而被广泛应用于商业化PEM水电解槽。然而传统的商用PEM电解槽需要高负载量的Ir（2–4 mg/cm2）作为阳极催化剂才能满足工业应用的需求，而Ir的低丰度和高成本在很大程度上严重阻碍了该技术的进一步部署。在最近的研究报道中，负载型低Ir基催化剂的稳定性和活性在很大程度上得到提高，但这些催化剂仍然需要0.5–2 mgIrcm-2的负载量才能使其在PEM电解槽中表现出令人满意的活性和稳定性。因此，在保持PEM水电解的活性和稳定性的同时，将Ir负载量降低到0.5 mgIrcm-2以下仍具有挑战。
针对这一关键问题，材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队开发了一种高效稳定的负载型低铱电催化剂材料——多孔四方氧化锆上负载氧化铱团簇（IrOx/t-ZrO2），其在三电极体系下1.6 V vs. RHE时表现出1464.6 A gIr-1的高质量活性。结构表征、电化学分析和理论计算揭示了在IrOx团簇上的活性晶格氧机制（LOM），由于反应过程中t-ZrO2衬底溢出的氧物种填充而保持结构稳定。通过四甲基氯化铵（TMACl）分子探针、pH依赖性、原位18O标记的电化学差分质谱（DEMS）测试结果表明四方相t-ZrO2负载的IrOx/t-ZrO2样品遵循LOM反应机制，这种路径使得样品有高的OER反应活性；借助原位XAFS、原位红外、原位拉曼和理论计算证明了氧溢流稳定的LOM途径，氧物种能够从t-ZrO2载体迁移到IrOx位点，及时填补了失去的晶格氧，避免了可溶性*VO-IrO42-中间体的产生，从而提高样品的工况稳定性。在使用IrOx/t-ZrO2作为阳极材料的PEM电解槽测试中，仅使用0.1 mgIrcm-2的低Ir负载量就可以在1.9 V下表现出3.10 A cm-2的电流密度，并且在1600小时1 A cm-2的电流密度下进行的稳定性测试期间，活性衰减率仅表现出6.25 μV h-1。本研究工作不仅启发了酸性水氧化活性位点和载体之间氧物种的调节机制，而且为下一代低Ir负载量的PEM电解槽提供了参考。
该工作主要由材料科学与工程学院博士研究生方颂儒、硕士研究生杨海翔在刘鹏飞副教授、袁海洋副教授、杨化桂教授等人的指导下完成。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市基础研究特区等项目资金的支持。
文献链接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/EE/D5EE00544B
