近日，我院王野/谢顺吉/张庆红教授团队在酸性电解水析氧催化剂研发方面取得了重要进展。相关成果以“Self-healing iridium-doped manganese oxide for boosting stability of acidic oxygen evolution”为题发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202417766)。
水电解制氢技术因其绿色和可持续性，被认为是未来氢能经济的重要组成部分。其中，质子交换膜（PEM）水电解技术因具有优异的动态响应特性和高电流密度优势，被视为高效耦合间歇性可再生能源系统的理想选择。PEM电解技术的能量转换效率主要受限于阳极的析氧反应（OER）。由于OER在强酸性和强氧化性环境下进行，目前以Ir基催化剂最为常用。虽然该类催化剂具有较高的活性，但其高昂的成本和稀缺性限制了PEM技术的大规模应用。因此，开发低Ir负载量、高活性且稳定的OER催化剂成为了当前该领域的研究重点。
针对这一挑战，研究团队采用电氧化沉积法制备了铱掺杂二氧化锰（Ir/MnO2）的新型自支撑型气体扩散电极。实验结果表明，在酸性电解质中，合成的5.1% Ir/MnO2催化剂在三电极测试体系中不仅展现出优异的活性与稳定性（1650 h @100 mA cm−2），还能保持低Ir溶出量，且基于氧析出量和Ir溶出量比值的稳定性指数（2.9×108）高于目前文献已报道结果。同时，该催化剂在PEM电解池中能以1.0 A cm−2的电流密度稳定运行250 h，且Ir的负载量仅为~0.3 mg cm−2，低于传统PEM电解池中Ir的使用量（2-4 mg cm⁻2），具有应用潜力。进一步结合理论计算表明，Ir与Mn之间的电子相互作用导致高价态Ir物种的生成，促进了*OOH中间体的脱附，从而有效提升了反应活性。此外，对催化剂的稳定机制研究发现，在阳极电位的驱动下，溶出的金属离子能够以原位再沉积的方式实现催化剂的“自修复”，有效抑制了Mn和Ir在酸性介质中的溶出，从而显著延长了催化剂的使用寿命。
该研究在王野教授、谢顺吉教授和张庆红教授的共同指导下完成。博士生吴甚杰、硕士研究生陈洲慧为共同第一作者。研究工作得到科技部国家重点研发计划(2022YFA1504600)，国家自然科学基金项目(22121001、22022201、92145301、U22A20392和U23A2087)，中央高校基本科研业务费(20720220008)，福建省科技计划项目(2022L3077)等资助。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417766
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