清洁氢能的生产对于大规模、高效、可再生能源的开发具有重要意义。水电解(包括碱水电解(AWE)、质子交换膜电解(PEMWE)、固体氧化物电解槽(SOEC))可利用电能生产氢气。其中，PEMWE由于其高工作电流密度(> 1.0 A cm-2)、低欧姆损耗和高氢纯度(> 99.99%)被认为是最有前途的制氢策略。
目前，PEMWE中析氧反应(OER)的阳极依赖于Ir基电催化剂(如IrOx和Ir黑)。然而，Ir的高成本和稀缺的储量极大地阻碍了PEMWE大规模应用。此外，阳极IrOx催化剂一般表现出不理想的OER活性，过电位相对较大，并且由于在OER催化过程中Ir物种的浸出而表现出相对较低的耐久性。因此，开发新型、高效、耐用的Ir基催化剂是实现PEMWE实际应用的关键。近日，北京化工大学王峰和窦美玲等提出了一个有效的界面工程策略，通过在催化剂-载体界面上的电子转移和晶格氧稳定化，利用高导电性(约960 S cm-1)Ti4O7载体负载IrO2纳米颗粒，来提高低Ir载荷催化剂的OER功效。实验和理论计算表明，IrO2-Ti4O7界面上形成了Ir-O-Ti键，催化剂-载体相互作用导致Ir3+含量增加，导致d带中心降低，减弱了氧中间体在Ir位点上的吸附，从而促进了OER催化。此外，界面上形成的Ir-O-Ti键稳定了IrO2中的晶格氧，为OER催化提供了一条稳定的晶格氧路径。性能测试结果显示，在酸性条件下，IrO2/Ti4O7催化剂在10和100 mA cm-2电流密度下的OER过电位分别为244和296 mV，在1.53 V下的质量活性为1342.9 A gIr-1。此外，使用IrO2/Ti4O7 (Ir载量为0.24 mgIr cm-2)作为阳极催化剂，60% Pt/C作为阴极组装的PEMWE在1.0 A cm-2电流密度下的电池电压为1.73 V，并且在200 mA cm-2下连续稳定运行超过500小时，表明IrO2/Ti4O7作为PEMWE的实用阳极的巨大潜力。总的来说，利用界面工程策略创造强烈的催化剂-载体相互作用，为设计稳定和高效率的Ir基OER催化剂提供了一条新途径。Interface-engineering strategy for boosting low-Ir catalytic water oxidation using a conductive Ti4O7 support. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c03862
