雖然到2026年，全球可再生能源發(fā)電能力預(yù)計(jì)將達(dá)到4800 GW，比2020年增長(zhǎng)60%，但這種能源的間歇性阻礙了其繼續(xù)發(fā)展。目前認(rèn)為，利用可再生能源供電的電解水是克服間歇性可再生能源局限性的最有前途和最實(shí)用的手段。就電解水的整體活性而言，析氧反應(yīng)(OER)的動(dòng)力學(xué)占主導(dǎo)地位，因?yàn)樵撨^程明顯慢于析氫反應(yīng)(HER)。盡管氧化銥(IrO₂)因其高活性和可接受的穩(wěn)定性常被用作OER催化劑，但I(xiàn)r存在價(jià)格較為昂貴等缺點(diǎn)。

基于此，忠南大學(xué)Hyun You Kim、韓國(guó)能源研究院Sechan Lee和Hyun-Seok Cho以及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Graeme Henkelman(共同通訊)等人以Zr₂ON₂為載體，制備了IrO_x/Zr₂ON₂電催化劑，使得催化劑同時(shí)具有OER活性和穩(wěn)定性。

在制備的IrO_x/Zr₂ON₂、IrO_x/ZrN和IrO_x/ZrO₂催化劑中，本文研究發(fā)現(xiàn)IrO_x/Zr₂ON₂表現(xiàn)出最高的催化活性，與商業(yè)IrO_x電催化劑的催化性能相當(dāng)。更具體地說，在10 mA cm^-2的電流密度下，IrO_x/Zr₂ON₂、IrO_x/ZrN和IrO_x/ZrO₂的過電位分別為255、283和290 mV，IrO_x/Zr₂ON₂的過電位明顯低于IrO_x/ZrN和IrO_x/ZrO₂。

此外，Tafel斜率證實(shí)IrO_x/Zr₂ON₂具有最快的OER動(dòng)力學(xué)(48.0 mV dec^-1)。更重要的是，IrO_x/Zr₂ON₂在1.55 V時(shí)表現(xiàn)出849 mA mg_Ir^-1的最高質(zhì)量活性，約是商業(yè)IrO_x和IrO_x/TiO₂電催化劑的3倍和14倍。隨后，本文在10 mA cm^-2的電流密度下通過5小時(shí)的計(jì)時(shí)電位測(cè)試來驗(yàn)證三種催化劑的穩(wěn)定性。

雖然IrO_x/Zr₂ON₂，IrO_x/ZrO₂和IrO_x催化劑的電勢(shì)在測(cè)試過程中發(fā)生了變化，但這種變化是為微弱的，這說明這三種催化劑具有優(yōu)異的催化性能。上述測(cè)試結(jié)果表明，制備的IrO_x/Zr₂ON₂具有優(yōu)異的催化性能。為了進(jìn)一步驗(yàn)證IrO_x/Zr₂ON₂電催化劑作為質(zhì)子交換膜電解水裝置陽(yáng)極的可行性，本文測(cè)試了催化劑的電流-電壓曲線并對(duì)催化劑在1.0 A cm^-2下進(jìn)行了50小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試。在2.0 A cm^-2的電流密度下，由IrO_x/Zr₂ON₂組成的膜電極顯示出1.927 V的電壓，這甚至低于商業(yè)膜電極。

值得注意的是，使用IrO_x/Zr2ON₂制備的膜電極中Ir的負(fù)載量為0.4 mg_Ir?cm^-2，而商業(yè)膜電極的Ir的負(fù)載量為2.0 mg_Ir?cm^-2。此外，由IrO_x/Zr₂ON₂組成的膜電極的性能在50小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定，電勢(shì)幾乎沒有增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地證實(shí)了IrO_x/Zr₂ON₂作為質(zhì)子交換膜電解水裝置陽(yáng)極催化劑的可行性和穩(wěn)定性。

結(jié)合表征結(jié)果等結(jié)果可以得知，本文制備的IrO_x/Zr₂ON₂的出色的電化學(xué)性能可以歸因于IrO_x和Zr₂ON₂納米粒子之間的強(qiáng)相互作用以及從載體到催化劑的電荷轉(zhuǎn)移。此外，本文還對(duì)分散的IrO_x納米粒子和表面完全氧化的IrO_x/Zr₂ON₂進(jìn)行了密度泛函理論(DFT)計(jì)算，對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行了更深刻的論證。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于IrO_x和Zr₂ON₂，從Zr₂ON₂總共轉(zhuǎn)移了2.14 e^–到IrO_x表面，這些電子減少了IrO_x并活化了Ir-O鍵。

更重要的是，結(jié)合自由能結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于拉伸應(yīng)變(operando-X射線吸收光譜表明，與商業(yè)IrO₂相比，IrO_x/Zr₂ON₂電催化劑的Ir-O鍵被拉長(zhǎng))和電荷轉(zhuǎn)移，IrO_x/Zr₂ON₂的反應(yīng)途徑由傳統(tǒng)的吸附物質(zhì)演化機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裱鯀⑴c機(jī)制，因此IrOx/Zr₂ON₂的理論起始電位(330 mV)低于分散的IrO_xNP(790 mV)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也保持了一致。綜上所述，本文的研究結(jié)果為催化劑同時(shí)具有活性和穩(wěn)定性提供了一種新的策略。

Catalyst-support interactions in Zr₂ON₂-supported IrO_x?electrocatalysts to break the trade-off relationship between the activity and stability in the acidic oxygen evolution reaction,?Advanced Functional Materials,?2023, DOI: 10.1002/adfm.202301557.

https://doi.org/10.1002/adfm.202301557.