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電解水制氫通常在堿性條件下進行，最近的研究工作正朝著在質子交換膜（PEM）在更有效的酸性條件進行，但催化劑的穩定性和成本仍然是嚴重的障礙。研究顯示，六價銥（Ir^VI）氧化物在酸中的析氧反應比任何其他氧化銥都更有活性和穩定；然而，其實驗實現仍然具有挑戰性。

在此，日本理化學研究所中村龍平教授和李愛龍研究員團隊報道了原子分散的Ir^VI氧化物（Ir^VI–ado）的合成和表征，以及在質子交換膜（PEM）水電解中的應用。具體來說，作者使用二氧化錳（MnO₂）氧化取代六氯硅酸鉀（IV）（K₂IrCl₆）的配體，合成了Ir^VI–ado。結果顯示，質量比活性（1.7×10⁵A/g_Ir）和周轉數（1.5×10⁸）超過了傳統的銥氧化物，且PEM期間的原位x射線分析顯示，在當前密度下實現了高達2.3 A/cm²的持久性！Ir^VI–ado的高活性和穩定性顯示了其作為PEM電解的陽極材料有希望的候選者！

相關文章以“Atomically dispersed hexavalent iridium oxide from MnO₂ reduction for oxygen evolution catalysis”為題發表在Science上。

【內容詳解】

迄今為止，質子交換膜（PEM）電解水是一種很有前途的高功率密度和良好的技術，其中銥基氧化物催化劑憑借其高穩定性在析氧反應（OER）展現出優勢。然而，由于銥的年產量為~8公噸年^?1，在目前的催化劑裝載水平[2-4 mg_Ir（mgIr）]下，其被被限制在~10 GW年^?1。因此，對于大規模應用PEM電解槽，銥的裝載量必須至少減少一個數量級。以往的研究主要集中在通過將銥與其他元素混合來減少銥的負載量。例如，二氧化鈦支持的IrO₂在保持活性的同時，銥的負載量減少了大約一半。另一種減少銥負荷的方法是，與傳統的金紅石IrO₂相比，增加OER活性。研究人員還積極探索了催化活性和長期穩定性之間的關系，例如通過制備具有銥混合氧化態的氧化物。為此，已經報道了新的材料，如氧化銥納米顆粒或銥釕混合氧化物。

2020年，人們使用了一種主動學習算法，分析了數千種銥氧化物對水電解的性能。在這些候選物中，預測六價氧化銥（IrO₃）在酸中具有最高的活性和穩定性。在一些早期的計算中，末端結構含有六價銥的材料也被預測具有較高的OER活性。最近，一些含有六價銥的雙鈣鈦礦在酸中表現出了良好的OER活性，但由于在酸條件下的陽離子浸出而容易溶解。因此，六價銥氧化物的高前瞻性效用尚未在實驗中得到證明，特別是在PEM電解方面。

Ir^VI的原位XAS分析

通過K₂IrCl₆與MnO₂的氧化配體交換生成Ir^VI–ado的合成過程如圖1a所示。首先，將MnO₂電沉積在耐腐蝕鍍鉑鈦網（MnO₂/PTL）上，浸在含有K₂IrCl₆的0.01 M硫酸中，溫度為95℃，從而得到預催化劑（Ir-pre）。然后將Ir-pre在450℃的空氣中退火，得到Ir^VI–ado。同時，采用原位x射線吸收光譜（XAS）監測Ir^VI–ado合成過程中銥氧化態和配位結構的變化。白線（WL）峰值的Ir L₃-edgex射線吸收近緣結構（XANES）光譜轉移到更高的能量0.9 eV，這表明銥氧化更高的氧化狀態。此外，采用高能分辨率熒光檢測到的XANES（HERFD-XANES）光譜法確定了銥的價態（圖2A），WL的綜合強度與5d空穴的數量成正比。使用這種方法，估計Ir^VI–ado的氧化態為5.8±0.1。

圖1. Ir^VI的原位XAS分析。

在OER過程中的電化學性能和原位XAS

掃描電鏡（SEM）結果顯示，所得到的Ir^VI–ado均勻地覆蓋了PTL襯底（圖2D）。原子分辨率高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像顯示，銥原子分散在MnO₂氧化物載體上。在含有1M H₂SO₄（pH 0）作為電解液的三電極體系中，在0.02 mg_Ircm^?2的銥載荷下，Ir^VI–ado的質量活性比傳統催化劑高10倍。當使用電化學活性表面積（ECSA）評價活性時，也證實了同樣的趨勢，表明原子分散對降低銥負載量的好處。

圖2：Ir^VI–ado的非原位分析。

圖3：通過原位XAS和長電解分析了Ir^VI–ado的穩定性。

為了評估Ir^VI在 PEM電解過程中的穩定性，作者使用Nafion115膜在80℃的商業化 PEM電池中進行了長期穩定性測量。

圖4：Ir^VI–ado的電化學性能和長期穩定性。

綜上所述，在本文中，作者報道了一種原子分散的六價氧化銥（Ir^VI–ado）的成功合成，并表明與目前報道的其他Ir氧化物相比，該材料在PEM電解過程中具有更高的質量比活性和穩定性。其中，成功合成Ir^VI–ado的關鍵是引入MnO₂作為氧化劑將四價銥（Ir^IV）氧化為六價Ir^VI，這一過程伴隨著配體從氯取代為氧。當Ir^VI–ado用于PEM電解時，在電池電壓為2.0 V，銥負載為0.08 mg_Ir cm^?2下，電流密度達到4.0Acm?2。觀察到的最大周轉數為1.5×10⁸，超過了之前報道的Ir^VI催化劑。因此，本文的材料與目前水平（2-4 mg_Ir cm^?2）相比，Ir負載量減少了96%，但其活性和穩定性得到保障。

Ailong Li*?, Shuang Kong?, Kiyohiro Adachi, Hideshi Ooka, Kazuna Fushimi, Qike Jiang,

Hironori Ofuchi, Satoru Hamamoto, Masaki Oura, Kotaro Higashi, Takuma Kaneko,

Tomoya Uruga, Naomi Kawamura, Daisuke Hashizume, Ryuhei Nakamura*, Atomically dispersed hexavalent iridium oxide from MnO₂ reduction for oxygen evolution catalysis, Science.?(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5193

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