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
王野课题组主页:https://wangye.xmu.edu.cn/