質(zhì)子交換膜水電解槽(PEMWE)具有電流密度高、氫氣純度高(>99.99%)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是大規(guī)模制氫的最有前途的技術(shù)之一。然而，由于固有的緩慢析氧反應(yīng)(OER)動(dòng)力學(xué)和催化劑在酸性介質(zhì)中的耐腐蝕性較差，同時(shí)實(shí)現(xiàn)PEMWE優(yōu)異的活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。Ir基催化劑由于其良好的活性和穩(wěn)定性而被認(rèn)為是酸性O(shè)ER的基準(zhǔn)催化劑，但其稀缺性和在高陽(yáng)極電位(> 1.6 V)下的溶解問(wèn)題極大地限制了它們的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。

以前的研究表明，Ir的低氧化態(tài)可以表現(xiàn)出增強(qiáng)的耐腐蝕性和固有的氧催化能力，Sn基金屬氧化物即使在高度氧化和酸性環(huán)境中也具有優(yōu)異的耐腐蝕性。此外，觸發(fā)催化劑表面產(chǎn)生氧自由基作為親電中心，易于在水中進(jìn)行親核攻擊，被認(rèn)為是提高催化活性的有效方法。因此，通過(guò)構(gòu)建Sn基氧化物負(fù)載氧化Ir物種異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系來(lái)觸發(fā)氧自由基的形成并確定其構(gòu)效依賴(lài)性具有重要意義。

近日，清華大學(xué)李亞棟、王定勝和浙江大學(xué)孫文平等報(bào)道了一種具有Ir-Sn對(duì)位點(diǎn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑(Ir-Sn PSC)，用于高效穩(wěn)定催化酸性O(shè)ER。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，Ir-Sn PSC催化性能的大幅度提高可歸因于Ir-Sn雙原子位形成了異質(zhì)界面，提供了豐富的界面，使催化活性位大幅度增加，加速了電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)；同時(shí)，Ir和Sn雙原子位點(diǎn)之間強(qiáng)烈的電子耦合作用大大減少了Ir物種在合成和OER中形成的d帶空穴，抑制了Ir的過(guò)氧化，從而使催化劑的抗腐蝕性能顯著提高；此外，Ir 5d_z2-O 2p_y和Ir5d_xz-O2p_x通過(guò)π*相互作用形成氧自由基，促進(jìn)了表面電子交換和轉(zhuǎn)移能力，優(yōu)化了氧吸附能，提高了材料耐蝕性。

電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，在酸性條件下，Ir-Sn PSC催化劑在10和100 mA cm^?2電流密度下的OER過(guò)電位分別為200和299 mV，在320 mV過(guò)電位下的質(zhì)量活性高達(dá)2.9 A mg_Ir^?1，分別比Ir NPs和IrO₂高出1和2個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，Ir-Sn PSC在30 mA cm^?2電流密度下連續(xù)運(yùn)行180小時(shí)而沒(méi)有發(fā)生明顯活性衰減，并且反應(yīng)后材料的結(jié)構(gòu)保持良好，表明其具有優(yōu)異的耐酸腐蝕性。

此外，將Ir-Sn PSC和Pt/C分別作為OER和析氫反應(yīng)(HER)催化劑組裝的水電解槽(Ir-Sn PSC||Pt/C)表現(xiàn)出較低的過(guò)電位和較高的循環(huán)穩(wěn)定性，在20 mA cm^?2下運(yùn)行260小時(shí)僅有0.46 mV/小時(shí)的衰減。綜上，該項(xiàng)研究不僅提供了一種高效、長(zhǎng)壽命的器件導(dǎo)向電催化劑，而且為通過(guò)操縱自由基實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極抗氧化提供了思路。

Ir-Sn pair-site triggers key oxygen radical intermediate for efficient acidic water oxidation. Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adi802