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一、研究团队与发表信息
本研究由Lan Yang（吉林大学）、Guangtao Yu（吉林大学理论化学研究所）、Xuan Ai（吉林大学）等共同完成，通讯作者为Wei Chen与Xiaoxin Zou（均来自吉林大学）。研究成果发表于Nature Communications期刊（2018年12月，卷9，文章号5236），标题为《Efficient oxygen evolution electrocatalysis in acid by a perovskite with face-sharing IrO6 octahedral dimers》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于电催化领域，聚焦酸性条件下析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）的高效催化剂设计。
研究背景：质子交换膜（PEM）电解水技术是制氢的重要途径，但其阳极OER反应在酸性环境中动力学缓慢，需依赖昂贵的铱（Ir）基催化剂（如IrO₂）。现有催化剂存在铱用量高、活性不足或稳定性差的问题。
研究目标：开发一种铱含量更低、活性更高且结构稳定的酸性OER催化剂，通过调控钙钛矿（perovskite）材料的局部配位结构优化催化性能。

三、研究流程与方法
1. 材料设计与合成
- 研究对象：6H-SrIrO₃钙钛矿（含面共享IrO₆八面体二聚体）与对比材料3C-SrIrO₃（角共享IrO₆八面体）。
- 合成方法：
- 采用溶胶-凝胶法，以Sr(NO₃)₂、K₂IrCl₆为前驱体，柠檬酸为络合剂，通过高温煅烧（200–700°C）获得6H-SrIrO₃。
- 通过调节柠檬酸用量合成3C-SrIrO₃，并掺杂钴（Co）以稳定其结构。
- 表征技术：X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等验证晶体结构与成分。

1. 结构稳定性测试

   • 将6H-SrIrO₃浸泡于0.5 M H₂SO₄中48天，通过XRD和TEM确认其结构稳定性，ICP-OES检测铱（Ir）和锶（Sr）的溶出量。
     

2. 电化学性能评估

   • 测试体系：三电极系统（工作电极：催化剂负载玻碳电极；参比电极：饱和甘汞电极；电解液：0.5 M H₂SO₄）。
     
   • 关键实验：
     
     • 线性扫描伏安法（LSV）测定OER过电位（η）和质量活性（mass activity）。
       
     • 计时电位法评估长期稳定性（30小时恒电流测试）。
       
   • 对比材料：商用IrO₂纳米颗粒及其他近期报道的铱基催化剂。
     

3. 理论计算

   • 采用密度泛函理论（DFT）计算6H-SrIrO₃表面（001晶面）的自由能变化，分析面共享IrO₆二聚体对OER反应路径的影响。
     

四、主要研究结果
1. 结构特性
- 6H-SrIrO₃中面共享IrO₆二聚体的Ir–Ir金属键距离为2.796 Å，Ir–O键长（2.005–2.085 Å）比角共享IrO₆（1.978–1.982 Å）更长，表明其表面氧结合能力更弱。

1. 催化活性

   • 在10 mA cm⁻²电流密度下，6H-SrIrO₃的过电位（248 mV）低于IrO₂（300 mV）和3C-SrIrO₃（270 mV）。
     
   • 铱质量活性为IrO₂的7倍，是已报道铱基氧化物中最高值（图3b）。
     

2. 稳定性

   • 30小时OER测试后，6H-SrIrO₃仅损失1%的Sr，而3C-SrIrO₃损失24%。TEM显示6H-SrIrO₃保持晶态，而3C-SrIrO₃表面非晶化。
     

3. 理论机制

   • DFT计算表明，面共享IrO₆二聚体表面（Surface-I）的OER决速步（O* + H₂O → HOO* + H⁺ + e⁻）自由能垒（0.46 V）低于角共享表面（0.57 V），与实验结果一致。
     

五、结论与价值
1. 科学意义：首次揭示面共享IrO₆二聚体结构可显著提升酸性OER活性，为设计低铱高效催化剂提供了新思路。
2. 应用价值：6H-SrIrO₃的铱含量比IrO₂低27.1%，且活性更高，有望降低PEM电解水技术的成本。
3. 理论贡献：通过电子局域函数（ELF）和DOS分析，阐明了Ir–Ir金属键与弱Ir–O键对催化性能的调控机制。

六、研究亮点
1. 材料创新：首次将6H-SrIrO₃用于酸性OER，其面共享IrO₆二聚体结构为全新活性位点设计。
2. 性能突破：在低铱用量下实现迄今最高的铱质量活性。
3. 方法学：结合实验与理论计算，明确结构-活性关系，为理性设计催化剂提供范例。

七、其他价值
- 该研究开发的合成方法可扩展至其他钙钛矿体系，推动非贵金属催化剂的设计。
- 长期稳定性测试（48天酸浸泡）为实际应用提供了可靠数据支撑。

（报告总字数：约1500字）