高效导电复合阳极催化剂Ir NN@TiO₂在质子交换膜电解水中的应用研究
1. 研究团队与发表信息
本研究由吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室的陈辉（Hui Chen）团队主导，合作单位包括合肥动量守恒绿色能源有限公司和吉林大学材料科学与工程学院。论文于2025年1月30日发表在*Chemical Communications*（*Chem. Commun.*）期刊，标题为《Highly Conductive Composite Anode Catalysts Featuring a Fused Ir Nano-Network towards Proton Exchange Membrane Electrocatalysis》。
2. 学术背景与研究目标
质子交换膜水电解技术（PEMWE, Proton Exchange Membrane Water Electrolysis）是可再生能源制氢的核心技术，但其阳极析氧反应（OER, Oxygen Evolution Reaction）需依赖高载量的贵金属铱（Ir）催化剂（商用电解槽需2–4 mgIr cm⁻²），导致成本高昂。传统碳载体在高电位下易腐蚀，而氧化物载体（如TiO₂、SnO₂）虽耐酸但导电性差（通常<0.1 S cm⁻¹），限制了低铱载量催化剂的性能。
本研究旨在通过硼化物辅助法合成一种具有熔融铱纳米网络（fused Ir nano-network）的复合催化剂（Ir NN@TiO₂），解决导电性与活性之间的矛盾，实现低铱载量（0.3 mgIr cm⁻²）下PEMWE的高效稳定运行。
3. 研究流程与方法
（1）催化剂合成
- 方法创新：以TiB₂为前驱体，与H₂IrCl₆在乙醇-水溶液中反应，TiB₂被氧化为TiO₂载体，同时IrCl₆²⁻还原为金属Ir纳米颗粒（NPs），并在TiO₂表面形成互连的铱纳米网络（图1a-b）。对照组使用TiO₂直接负载Ir NPs（Ir NP@TiO₂），未形成网络结构。
- 规模化制备：单批次产量可达5克（图1c），具备工业化潜力。
（2）结构表征
- 形貌分析：透射电镜（TEM）显示Ir NPs平均粒径1.2 nm，通过晶界（GBs）熔融连接，形成三维导电网络（图1d-e）。
- 导电性测试：Ir NN@TiO₂电导率达0.2 S cm⁻¹，比Ir NP@TiO₂高5个数量级（图1f）。
- 表面化学：X射线吸收谱（XAS）和X射线光电子能谱（XPS）证实Ir表面存在氧化层（Ir⁰/Ir⁴⁺混合价态），利于OER活性（图2b-d）。
（3）电化学性能测试
- 三电极体系：在0.1 M HClO₄中，Ir NN@TiO₂的OER过电位（285 mV@10 mA cm⁻²）低于Ir NP@TiO₂（297 mV）和纯Ir NPs（321 mV），塔菲尔斜率仅47.1 mV dec⁻¹（图3a）。
- 质量活性：1.55 V vs. RHE下，Ir NN@TiO₂的Ir质量活性达331 A gIr⁻¹，为Ir NPs的10.7倍（图3b）。
- 稳定性：200小时恒流测试后活性无衰减，Ir溶解量仅为0.03 wt%（图3d）。
（4）PEMWE单电池测试
- 膜电极制备：采用超声喷涂法，阳极载量0.3 mgIr cm⁻²，阴极载量0.44 mgPt cm⁻²，Nafion 115膜为电解质。
- 性能对比：80°C下，Ir NN@TiO₂基电池在1.9 V电压下电流密度达2.9 A cm⁻²，优于Ir NP@TiO₂（2.3 A cm⁻²）和Ir NPs（1.8 A cm⁻²）（图4b）。
- 耐久性：1 A cm⁻²下稳定运行1000小时，降解速率仅30.8 μV h⁻¹（图4e），为同类报道最佳水平之一。
4. 研究结果与逻辑链条
- 结构-性能关系：熔融Ir网络提供高导电性（0.2 S cm⁻¹），TiO₂载体增强酸性稳定性，表面羟基覆盖促进OER动力学（图3c）。
- 单电池优势：低欧姆损耗（导电网络）、低传质阻力（多孔结构）和低动力学过电位（高本征活性）共同提升PEMWE性能（图4d）。
5. 结论与价值
- 科学价值：揭示了熔融贵金属网络在复合催化剂设计中的关键作用，为低载量高活性催化剂开发提供新思路。
- 应用价值：将PEMWE的铱载量降低至0.3 mgIr cm⁻²（较商用降低90%），且性能优于多数文献报道（图4c），推动绿氢技术降本。
6. 研究亮点
1. 方法创新：硼化物辅助法首次实现Ir纳米网络的可控制备，突破氧化物载体导电性瓶颈。
2. 性能突破：在超低铱载量下同时实现高活性（2.9 A cm⁻²@1.9 V）和长寿命（>1000 h）。
3. 机制深化：通过XAS和WT-EXAFS解析了Ir表面氧化态与羟基覆盖的协同效应。
7. 其他价值
- 研究得到国家电网总部科技项目支持（5419-202158490A-0-5-ZN），成果可直接应用于可再生能源制氢系统。
- 数据公开于ESI†，包括合成细节、表征谱图和电化学原始数据，便于同行复现。