长春应化所在质子交换膜电解水低铱阳极催化剂动态稳定化调控取得进展

中国科学院长春应用化学研究所在质子交换膜电解水（PEMWE）低铱阳极催化剂动态稳定化调控取得进展。中国科学院长春应用化学研究所邢巍、刘长鹏、肖梅玲团队联合日本东北大学李昊团队，通过对高熵钙钛矿的原位偏析策略，成功构建了Ir纳米粒子被良好锚定的负载型铱基催化剂，实现了对活性位的原位调控，并阐明了嵌入式高熵钙钛矿负载铱催化剂的原位动态电子重分布机制，大幅提升了低铱PEMWE阳极催化剂的实际运行稳定性。相关成果以“Dynamic Electron Redistribution on Rooted-Type High-Entropy Perovskite-Supported Ir Catalysts for Durable Proton-Exchange-Membrane Water Electrolysis”为题发表在国际权威期刊《Journal of the American Chemical Society》。

PEMWE技术由于其电解效率高、产氢纯度高等优势，成为备受关注的绿氢制备技术。特别是PEMWE电解槽响应迅速的特性，有利于其与间歇性可再生能源匹配耦合，实现风、光等可再生能源的高效利用。但是其阳极侧氧析出反应动力学较为缓慢，成为了电解池过电位的主要来源。受限于铱储量的稀缺性，阳极催化剂的低铱化成为实现PEMWE技术规模化应用的重要途径。但由于阳极侧高氧化电位、强酸性的苛刻环境，如何在降低铱用量的同时，保持工业电流密度下催化剂的性能，特别是长期稳定性，成为了该技术长期面临的主要矛盾。

考虑到催化剂失活原因的多样性与失活机制的关联性、复杂性，团队提出了一种多尺度稳定化策略。通过对高熵钙钛矿的高温原位偏析，将负载催化剂的嵌入式强锚定与电化学原位条件下的动态电子重分配结合起来，实现催化剂的稳定化。研究发现，发展的Ir/HESIO催化剂中Ir纳米粒子被良好嵌入到高熵钙钛矿基底中，提供了催化剂本体结构的稳定性。进一步结合原位XAS、准原位XPS以及理论计算，阐明了催化剂动态稳定性的来源：高熵钙钛矿中B位掺杂元素与负载层中Ir位点氧化性质的差异，使得在OER电位下高熵钙钛矿作为有效的电子缓冲层抑制了Ir位点的过度吸附与深度氧化。最终使得该催化剂在PEM水电解槽中仅需1.71 V和1.80 V即可分别达到2和3 A cm^-2的工业级电流密度，其中3 A cm^-2下的性能达到DOE 2026目标。同时，在 2 A cm^-2下稳定运行超过3800小时，电位衰减仅2.2%；在3 A cm^-2下运行超过3200小时，电位衰减仅4.7%。

图1 多级稳定化机制示意图

该工作提供的动态稳定化策略有望进一步推广拓展至其他异相催化体系，助力能源与环境问题的解决。相关研究成果详见《Journal of the American Chemical Society》期刊：https://doi.org/10.1021/jacs.6c13780。