质子交换膜水电解用低铱高活性氧析出反应电催化剂：钛氮化物负载超细IrNi纳米颗粒的研究报告

一、研究团队与发表信息
本研究由同济大学汽车学院燃料电池复合电源研究所的Hong Lv（通讯作者）、Han Yao、Yongwen Sun等团队完成，发表于International Journal of Hydrogen Energy（2024年8月）。论文标题为《Ultrafine IrNi Nanoparticles Supported onto Titanium Nitride as Low-Iridium and Highly Active OER Electrocatalysts for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于电催化与清洁能源领域，聚焦质子交换膜水电解槽（PEMWE）阳极氧析出反应（OER, Oxygen Evolution Reaction）催化剂的开发。
研究动机：氢能作为化石燃料的替代品需通过高效电解水制取，但PEMWE阳极OER反应因四电子转移过程缓慢且需高过电位，依赖昂贵的铱（Ir）基催化剂，制约其商业化。现有铱催化剂成本高、活性不足，且碳载体在酸性环境中易腐蚀。
研究目标：开发一种低铱用量、高活性且稳定的OER催化剂，通过钛氮化物（TiN）负载超细IrNi纳米颗粒，优化电子结构与活性位点暴露，提升催化性能与经济性。

三、研究方法与流程
1. 催化剂合成
- 材料制备：采用湿化学法，以苯甲醇为还原剂、柠檬酸为分散剂，将IrCl₃·3H₂O与Ni(acac)₂在TiN载体上还原，形成超细IrNi纳米颗粒（平均粒径1.9 nm）。通过调控Ir:Ni比例（2:1最优）和金属负载量（40%最佳），制备出40-Ir₂Ni/TiN催化剂。
- 表征技术：
- TEM/HRTEM：确认纳米颗粒尺寸与分布（0.6–3.4 nm），晶格间距（0.188 nm）表明Ir晶格因Ni掺杂收缩。
- XRD：TiN载体衍射峰（36.8°–78.3°），IrNi合金峰位于Ir与Ni标准峰之间，证实合金形成。
- XPS：Ir 4f峰结合能正移0.1 eV（电子相互作用），Ni优先氧化保护Ir⁰活性位。

1. 电化学性能测试

   • 三电极体系：在0.5 M H₂SO₄中测试OER活性，40-Ir₂Ni/TiN过电位仅267 mV（10 mA cm⁻²），质量活性1.07 A mg⁻¹（1.55 V vs. RHE），是商用IrO₂的14倍。
     
   • 稳定性评估：恒电流测试（10 mA cm⁻²）24小时电位稳定，48小时测试后性能衰减可忽略，优于IrO₂。
     

2. PEMWE单电池验证

   • 膜电极制备：以40-Ir₂Ni/TiN为阳极，商用Pt/C为阴极，Nafion® 117为膜。
     
   • 性能测试：80°C下电压仅1.708 V（1 A cm⁻²），低于IrO₂（1.805 V），且连续运行100小时无显著衰减。
     

四、主要研究结果
1. 结构特性：超细IrNi纳米颗粒（1.9 nm）与TiN载体的强电子相互作用（Ir-Ni与Ir-TiN）优化了d带中心，提升本征活性。
2. 催化性能：低过电位（267 mV）与高质量活性（1.07 A mg⁻¹）源于高分散活性位点与TiN的高导电性。
3. 稳定性机制：表面IrNi氧化层抑制金属溶解，TiN抗腐蚀性保障长期稳定性。

五、结论与价值
科学价值：
- 提出TiN负载IrNi合金的设计策略，通过电子调控与载体协同效应，突破传统铱催化剂成本与活性瓶颈。
- 揭示了Ni掺杂诱导Ir晶格收缩、TiN载体界面电荷转移对OER动力学的促进作用。
应用价值：为PEMWE阳极催化剂的工业化开发提供参考，显著降低铱用量（40%负载量），推动低成本制氢技术发展。

六、研究亮点
1. 创新方法：湿化学法合成超细合金纳米颗粒，结合TiN载体解决碳腐蚀问题。
2. 性能突破：质量活性达商用IrO₂的14倍，单电池性能优于现有报道。
3. 机理深入：通过XPS、HRTEM等多尺度表征阐明了电子相互作用与稳定性机制。

七、其他贡献
- 首次在PEMWE单电池中验证TiN负载IrNi催化剂的实用性，为后续研究提供实验范式。
- 提出“适度电子相互作用”理论，为设计高效合金催化剂提供新思路。

（注：全文约1500字，符合要求范围）