氢能被视为推动可再生能源发电规模化的最佳能源载体，而电解水制氢则是实现此目标的重要途径之一。在众多电解水制氢技术中，质子交换膜电解水技术(Proton Exchange Membrane，PEM)具有装置紧凑(≤0.3 m2)、电流密度大(>1 A cm-2)、产氢纯度高(≥99.99%)、动态响应快(毫秒级)等诸多优势。然而，PEM中阳极氧析出反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)存在电子转移数多、动力学缓慢、过电位高等问题，制约了水分解反应的整体效率。要解决这一问题，必须从反应机理层面出发，基于OER反应的本质，合理设计催化剂材料结构。
然而，普遍接受的吸附中间体演化机制(Absorbate Evolution Mechanism，AEM)和晶格氧参与机制(Lattice Oxygen Mechanism，LOM)难以同时兼顾活性和稳定性。因此，各种新型反应路径被不断提出，以期进一步解释和指导高活性析氧催化剂的合成。在众多新型反应机制中，氧化路径机制(Oxide Pathway Mechanism，OPM)是一种理想的兼顾活性和稳定性的反应路径。该机制通过直接偶联两个邻位的表面氧自由基生成氧分子，在抑制*OOH生成的同时，避免了氧缺陷的产生。然而，OPM机制中邻位氧自由基的直接耦合(*O-*O)对催化剂双活性位点的原子尺度和电子结构提出了严苛要求。目前，对于OPM机制型催化剂的开发主要集中在钌基催化剂上，而已大规模商业化的铱基材料在OPM机制方面仍然停滞不前。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所氢能与储能材料技术实验室王宇楠研究员、陆之毅研究员及其团队成员，共同合作利用碱土金属氧化物(Sr(OH)2)作为模板及元素掺杂剂，首次成功制备了铱基OPM型催化剂Sr-IrOx，即(200)晶面高度暴露的锶掺杂IrOx(如图1)，提升了PEM中阳极氧化反应的效率和稳定性。得益于IrO2(200)面上高密度可用的相邻铱位点，以及锶对Ir-O共价性的有效调控，Sr-IrOx能够在酸性水氧化过程中促进直接氧-氧耦合，绕过生成*OOH中间体的高能屏，实现在酸性环境下高效稳定的OER。在质子交换膜电解水器件中，Sr-IrOx在1A cm-2电流下可稳定工作超500小时(如图2)。Sr-IrOx电催化剂的优异性能为未来大规模的酸性水电解制氢应用奠定了坚实的基础，有望推动氢能生产技术的商业化进程。
该项研究成果以“Strontium Doped IrOx Triggers Direct O-O Coupling to Boost Acid Water Oxidation Electrocatalysis”为题，发表在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202418456)。该研究得到了国家重点研发计划(2021YFA1502200)、国家自然科学基金(22405284)、浙江省重点研发计划(2022C01158)、宁波市科技创新2025重点专项(2022Z205)、宁波市“甬江引才工程”(2021A-036-B)等项目的支持。
图1 Sr-IrOx的合成示意图及结构表征
图2 Sr-IrOx的电化学/器件性能及机理示意图
