这篇文档属于类型a，是一篇关于电化学催化剂的原创研究论文。以下是详细的学术报告内容：
1. 研究作者及机构
本研究由Freja Bech Holde（哥本哈根大学化学系）、Paula Sebastián-Pascual（哥本哈根大学化学系，加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所）、Kim Nicole Dalby（托普索公司）、Elvira Gómez（巴塞罗那大学材料科学与物理化学系）和María Escudero-Escribano（哥本哈根大学化学系，加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所）共同完成。论文发表于Electrochimica Acta期刊，2023年8月20日在线发表，卷号467，文章编号143058。
2. 学术背景
本研究属于电化学催化领域，聚焦于质子交换膜（PEM）电解槽中氧析出反应（OER, Oxygen Evolution Reaction）的催化剂设计。目前，PEM电解槽的瓶颈在于OER动力学缓慢，需依赖高负载量的稀缺金属铱（Ir）基催化剂。传统铱催化剂制备方法（如胶体合成）常涉及有毒表面活性剂，且后续去除步骤能耗高。因此，本研究旨在开发一种环境友好、高效的铱氧化物（IrO₂）薄膜制备方法，通过深共晶溶剂（DES, Deep Eutectic Solvent）中的电沉积及置换反应（GDR, Galvanic Displacement Reaction）技术，优化催化剂的活性与稳定性。
3. 研究流程
3.1 钴（Co）和镍（Ni）的电沉积
- 溶剂体系：采用胆碱氯化物-尿素（ChCl:urea）深共晶溶剂（DES），以CoCl₂和NiCl₂为前驱体。
- 电沉积条件：70°C下恒电位沉积（-0.70 V vs Ag参比电极），循环电荷为-10、-15和-25 mC，以控制金属负载量。
- 表征：通过循环伏安法（CV）和计时电流法（CA）验证沉积效率，SEM显示Co形成交织结构，Ni为纳米颗粒（图3a-b）。
3.2 铱的置换反应（GDR）
- 置换过程：将电沉积的Co或Ni浸入IrCl₄溶液，Co在室温（RT）下置换12分钟，Ni需在90°C下置换30-60分钟。
- 酸洗处理：用硝酸（1:1）去除残留的Co/Ni，形成纯Ir薄膜。
- 负载量计算：通过法拉第定律和ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）验证置换效率（Co置换率85%，Ni置换率>100%，因高温下Ir沉淀附着）。
3.3 电化学性能测试
- 基底选择：采用金珠（Au bead）和平面Si/Ti/Au片，以评估不同形貌基底的影响。
- 活性面积测定：通过氢欠电位沉积（HUPD）计算电化学活性面积（ECSA）。
- OER测试：在0.1 M HClO₄中，扫描速率10 mV/s，电位范围1.2–1.6 V vs RHE（可逆氢电极）。通过计时安培法（CA）和计时电位法（CP）评估稳定性（CA：1.6 V恒压14小时；CP：恒定电流11–14 mA/cm²至催化剂溶解）。
3.4 形貌与成分分析
- SEM/EDX：显示IrO₂薄膜形貌差异（Co置换产物为球形纳米颗粒，Ni置换产物为多孔结构，图3c-f）。
- ICP-MS：确认Co/Ni残留量极低，支持置换反应的彻底性。
4. 主要结果
4.1 催化活性
- 质量活性：Ni置换衍生的IrO₂在1.55 V vs RHE下质量活性达265±38 A/gIr，高于Co置换产物（237±14 A/gIr）（图4d）。
- 几何活性：Ni置换催化剂的电流密度（29.4±2 mA/cm²）显著高于Co置换产物（18.1±1.5 mA/cm²），归因于其更高的表面积（粗糙因子15.7 vs 6.0）。
4.2 稳定性
- 计时安培法：两种催化剂在1.6 V下均显示初始电流快速衰减（50%），随后缓慢下降，但Ni置换催化剂活性始终更高（图5a）。
- 计时电位法：Ni置换催化剂在恒定电流下可持续运行138小时未完全溶解，而Co置换产物仅维持26.5小时（图6a）。稳定性差异与初始电位相关（Ni置换催化剂起始电位更低，1.54 V vs 1.58 V）。
4.3 形貌与机理
- SEM分析：Ni置换产物的多孔结构（图3d-f）有利于气泡释放，减少活性位点阻塞，从而提升稳定性。
- ICP-MS：Ni置换后Ir负载量超预期，可能因高温下Ir沉淀附着，但该沉淀对活性贡献有限（图S5）。
5. 结论与价值
本研究提出了一种绿色、高效的IrO₂薄膜制备方法，通过DES电沉积和GDR技术，实现了： - 科学价值：揭示了置换反应条件（温度、时间、金属类型）对催化剂形貌与性能的影响机制，为设计高活性、高稳定性OER催化剂提供了新思路。 - 应用价值：该方法可减少Ir用量，降低PEM电解槽成本，且适用于不同形状的导电基底（如金珠、平面电极），具备工业化潜力。
6. 研究亮点
- 方法创新：首次结合DES电沉积与GDR技术制备IrO₂，避免了有毒表面活性剂的使用。
- 性能突破：Ni置换衍生的IrO₂兼具高活性（265 A/gIr）和超长稳定性（>138小时）。
- 机理阐释：通过多尺度表征（SEM、EDX、ICP-MS）明确了形貌-性能关系，为后续研究奠定基础。
7. 其他有价值内容
- 基底影响：金基底虽成本高，但其抗腐蚀性和导电性为实验室快速筛选催化剂提供了理想平台。
- 未来方向：作者建议进一步探索DES/水混合溶剂以降低粘度，并研究GDR参数对Ir负载量的调控，以优化质量活性。
此报告全面涵盖了研究的背景、方法、结果与意义，可作为同行研究者了解该工作的参考。