质子交换膜水电解（PEMWE）高效稳定双功能催化剂的研究进展

1. 研究团队与发表信息

本研究由韩国Chung-Ang University的Soo-Kil Kim团队、Pohang Accelerator Laboratory的Kug-Seung Lee团队及KAIST的Jinwoo Lee团队合作完成，发表于《Energy & Environmental Science》（2022年，第15卷，3449–3461页）。

2. 学术背景

质子交换膜水电解（Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, PEMWE）是可再生能源制氢的关键技术，但其强酸性和高电位环境对催化剂的活性和稳定性提出严峻挑战。目前，铱（Ir）基催化剂因在析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）中表现优异而被广泛应用，但其高成本和低耐久性限制了商业化进程。本研究旨在开发一种兼具高活性、高稳定性和低贵金属用量的双功能（OER/HER）催化剂，并通过结构重构策略优化其性能。

3. 研究流程与方法

（1）催化剂制备
- 电沉积（Electrodeposition）：在钛纤维毡（Ti fiber felt）上通过吸附氢诱导共沉积（H-induced co-electrodeposition）制备核壳结构的IrNi-Ir催化剂（ED-IrNi）。电解液含IrCl₆³⁻和Ni²⁺，电位为−2.8 V（vs. SCE），沉积时间15分钟。
- 脱合金（Dealloying）：在0.5 M H₂SO₄中以10 mA cm⁻²恒电流处理2小时，去除Ni并形成多孔纳米结构（DNp-IrNi）。

（2）表征技术
- 形貌与成分分析：场发射扫描电镜（FE-SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）及能谱（EDS）证实了DNp-IrNi的“蒲公英孢子”形貌和Ir-rich表面结构。
- 电子结构分析：X射线光电子能谱（XPS）显示DNp-IrNi表面以Ir⁴⁺为主，X射线吸收近边结构（XANES）表明体相中存在金属Ir与Ni²⁺的相互作用。
- 电化学测试：在0.5 M H₂SO₄中评估OER/HER性能，包括线性扫描伏安（LSV）、电化学阻抗谱（EIS）及加速耐久性测试（ADT）。

（3）单电池测试
将DNp-IrNi直接作为阳极和阴极应用于PEMWE单电池（活性面积1 cm²），测试其在2.0 V下的电流密度和长期稳定性（100 h@2 A cm⁻²）。

4. 主要结果

（1）催化活性
- OER性能：DNp-IrNi在10 mA cm⁻²的过电位仅为248 mV，显著低于商业IrO₂（315 mV），且塔菲尔斜率（38 mV dec⁻¹）表明其优异的反应动力学。
- HER性能：过电位15 mV（与Pt/C相当），且在5000次循环后性能无衰减。
- 双功能应用：在PEMWE单电池中，DNp-IrNi（0.67 mg cm⁻²）在2.0 V下电流密度达6.5 A cm⁻²，远超传统IrO₂（3–4 A cm⁻²）。

（2）稳定性机制
- 结构优势：多孔纳米框架（Nanoporous framework）抵抗气泡剥离和颗粒团聚。
- 电子调控：Ni掺杂优化Ir的d带中心，增强中间体吸附能力。

5. 结论与价值

本研究通过简单的电沉积-脱合金两步法，制备了具有工业应用潜力的双功能催化剂DNp-IrNi，其创新点包括：
- 科学价值：揭示了核壳结构重构对OER/HER活性的协同增强机制。
- 应用价值：为PEMWE的低成本、高耐久性电极设计提供了新思路。

6. 研究亮点

• 高性能：酸性条件下OER/HER过电位均为同类最低。
  
• 简易工艺：无需粘结剂，直接生长于多孔传输层（PTL）。
  
• 跨pH适用性：在碱性（1 M KOH）和中性（1 M PBS）电解液中同样表现优异。
  

7. 其他发现

• Ti基底的保护作用：致密Ir层可抑制Ti氧化，延长PTL寿命。
  
• 工业化潜力：催化剂载量低（0.67 mg cm⁻²），且可通过规模化电沉积实现量产。
  

该研究为可再生能源制氢技术的商业化提供了重要解决方案，未来需进一步优化大面积电极的均匀性。