这篇文档属于类型a，是一篇关于质子交换膜水电解槽（PEMWE）阳极催化剂材料创新的原创研究论文。以下为详细学术报告：

作者与机构

本研究由Zhoubing Xie、Hui Chen、Xiyang Wang等共同完成，通讯作者为Xiao Liang和Xiaoxin Zou（吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室）。合作单位包括加拿大滑铁卢大学、吉林大学材料科学与工程学院等。论文发表于Angewandte Chemie International Edition（2025年，DOI: 10.1002/anie.202415032）。

学术背景

科学领域：研究聚焦于电催化水分解（water splitting）中的析氧反应（OER, oxygen evolution reaction），属于能源材料与电化学交叉领域。
研究动机：质子交换膜水电解槽（PEMWE）是绿氢制备的核心技术，但其阳极需依赖高负载量的铱（Ir）基催化剂（商用IrO₂需2–4 mg/cm²）。铱的年产量低（<10吨/年）、价格昂贵（>5100美元/盎司），亟需开发低铱负载、高活性且稳定的新型催化剂。
研究目标：设计一种具有多级结构优化的铱氧化物泡沫片（h-IrOx FPs），通过原子-微观尺度的协同调控，实现低铱负载（0.3 mg/cm²）下高电流密度（安培级）与长时稳定性（>2000小时）。

研究流程与方法

1. 材料合成与结构表征

• 合成方法：采用改进的Adams法，分三步制备h-IrOx FPs：
  
  1. 前驱体溶液制备：将IrCl₃、NaNO₃和NaOH（摩尔比1:25:25）溶于水，干燥后经350–550℃阶梯热处理，生成层状铱酸钠（Na₂IrO₃）；
     
  2. 酸处理：去除盐副产物并完成Na⁺/H⁺交换，形成蜂窝状IrO₆八面体框架的泡沫片结构。
     
• 结构表征：
  
  • X射线衍射（XRD）：显示h-IrOx FPs具有短程有序的蜂窝层状结构（非金红石相）。
    
  • X射线吸收谱（XANES/EXAFS）：证实Ir为+4价，局部配位环境与Na₂IrO₃一致（Ir–O键长2.02/3.70 Å，Ir–Ir键长3.11 Å）。
    
  • 电子显微镜（SEM/TEM）：材料呈微米级片状（厚度~100 nm），内部为多孔泡沫网络（孔隙率59%，孔径50 nm主导）。
    
  • 3D重构技术：通过TEM图像重建证实孔道在三维空间高度连通。
    

2. 催化性能测试

• 电化学测试：
  
  • 三电极体系（0.1 M HClO₄溶液）：h-IrOx FPs在10 mA/cm²的过电位（262 mV）显著低于对比样h-IrOx SPS（337 mV）和商用IrO₂纳米颗粒（355 mV），质量活性（224 A/gIr）提升18–32倍。
    
  • 稳定性测试：200小时恒电流测试中电压无衰减，铱溶出率仅0.07%（商用IrO₂为0.31%）。
    
• 机理研究：
  
  • 原位红外光谱（FTIR）：检测到*OOH中间体（1234 cm⁻¹峰），表明遵循吸附物演化机制（AEM）。
    
  • 差分电化学质谱（DEMS）：¹⁸O标记实验显示h-IrOx FPs中结构羟基参与OER，提出“修饰版AEM”机制。
    

3. 理论计算

• 密度泛函理论（DFT）：蜂窝结构边缘Ir位点（edge-Ir）的理论过电位（0.40 V）低于面内Ir位点（0.87 V），因边缘位点对氧中间体（*OH/*O/*OOH）吸附能更优，电子转移更高效（Bader电荷分析证实）。
  

4. 电解槽集成验证

• 膜电极（MEA）制备：将h-IrOx FPs喷涂于Nafion 115膜阳极侧（Ir负载0.32 mg/cm²），阴极采用商用Pt/C。
  
• 单电池测试：80℃下电流密度达3.4 A/cm²@2.0 V，性能优于对比样及文献报道的掺杂IrO₂、铱酸盐等催化剂（见Table S2）。
  
• 稳定性：梯度电流测试（1→3 A/cm²）中 degradation rate <20 μV/h，连续运行2000小时后性能衰减可忽略。
  

主要结果与逻辑关联

1. 结构优势：蜂窝框架（原子尺度）与泡沫形貌（微观尺度）协同暴露高活性边缘Ir位点，同时促进传质与电子传导。
   
2. 性能突破：低过电位与高质量活性源于边缘位点的本征活性优化（DFT验证）及多孔结构的传质优势（3D重构证实）。
   
3. 机制创新：通过DEMS和FTIR揭示“修饰版AEM”机制，即结构羟基直接参与OER，加速动力学。
   
4. 应用验证：MEA中薄层（~1 μm）、连续催化剂层设计降低界面电阻，实现安培级电流密度与长时稳定。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出“多级结构优化”策略，为设计高性能电催化剂提供新思路。
- 揭示蜂窝状铱氧化物中边缘位点的本征活性机制，补充OER催化理论。
应用价值：
- 将PEMWE的铱负载量降低至0.3 mg/cm²（商用水平1/10），推动绿氢技术规模化。
- 材料合成方法（低温熔盐法）可扩展至其他层状电催化剂制备。

研究亮点

1. 材料创新：首次报道兼具蜂窝框架、泡沫纹理和片状形貌的铱氧化物，实现原子-微观多级调控。
   
2. 性能纪录：铱质量活性（224 A/gIr）和电解槽稳定性（2000小时）均达领域领先水平。
   
3. 方法学贡献：开发低温合成路径，避免传统层状铱酸盐的高温固相法缺陷。
   
4. 机理深度：结合实验与理论，阐明边缘位点主导的“修饰版AEM”机制。
   

其他价值

• 研究团队公开了部分数据（补充材料），包括合成参数、结构解析代码，可供同行复现。
  
• 提出的“多孔片层”结构设计可推广至燃料电池、CO₂还原等依赖传质优化的电催化体系。
  

（报告字数：约1800字）