開發(fā)銥（Ir）基電催化劑仍面臨的一個挑戰(zhàn)是酸性析氧反應（OER）過程中的活性與穩(wěn)定性權(quán)衡，特別是對于高效的表面重構(gòu)IrO_x催化劑。

2024年12月4日，哈爾濱工業(yè)大學（深圳）陶有堃副教授、深圳大學特聘研究員邵靜在國際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《Tackling activity-stability paradox of reconstructed NiIrO_x electrocatalysts by bridged W-O moiety》的研究論文，Muhammad Imran Abdullah、方雨笙、Xiaobing Wu為論文共同第一作者，陶有堃副教授、邵靜特聘研究員為論文共同通訊作者。

陶有堃，哈爾濱工業(yè)大學（深圳）理學院副教授。2006年本科畢業(yè)于湖南大學，導師: 徐仲榆教授；2009年在中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所獲碩士學位，導師：王蔚國研究員、崔平研究員，隨后留所擔任高級助理一年；2014年在丹麥科技大學獲得博士學位，導師：Prof. Mogens Mogensen。2015-2016年在美國西弗吉尼亞大學作 Postdoc Materials Scientist；2016-2019年在南方科技大學任教；2019年加入哈爾濱工業(yè)大學（深圳）建立能源催化與綠氫技術(shù)課題組。

陶有堃副教授近十幾年來一直在氫能燃料電池領(lǐng)域國內(nèi)外領(lǐng)軍機構(gòu)，從事相關(guān)材料學、電化學、能源工程等研究開發(fā)，涉及材料合成表征、電池制備、電化學測試、衰減機制及優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計等，對固體氧化物電池（SOC）技術(shù)和質(zhì)子膜（PEM）電池技術(shù)均有深入認識和實踐。已在本領(lǐng)域國際知名期刊發(fā)表論文50多篇，申請發(fā)明專利近20項。

邵靜，深圳大學化學與環(huán)境工程學院特聘研究員。2006年本科畢業(yè)于華中科技大學，2009年在中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所獲碩士學位，2013年在丹麥科技大學獲得博士學位，隨后留校從事博士后研究，2015年加入深圳大學。

邵靜研究員近十五年一直致力于燃料電池及電解技術(shù)的研究與技術(shù)開發(fā)，申請發(fā)明專利十余項,?并在PNAS、Adv. Funct. Mater.、J Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Power Sources?等權(quán)威期刊發(fā)表學術(shù)論文五十余篇。

為解決這個問題，作者通過在NiIrO_x電催化劑中形成橋接的W-O部分來構(gòu)建相選擇性Ir基電催化劑。通過電化學脫合金過程，作者以Ni作為犧牲元素，設(shè)計出具有表面羥基化金紅石型NiWIrO_x電催化劑的納米多孔結(jié)構(gòu)。

盡管Ir含量較低，NiWIrO_x在10 mA cm^-2電流密度下的OER表現(xiàn)出180 mV的最小過電位。它在1.8 V下維持了約300 h的OER，電流密度穩(wěn)定在300 mA cm^-2，并顯示出3.9×10⁵ n_oxygen?n_Ir^-1的穩(wěn)定數(shù)。

研究證明，產(chǎn)生的W-O-Ir橋接基序是通過促進OER中間體的去質(zhì)子化和促進熱力學上有利的雙位點吸附-演化機制來提高OER催化效率的關(guān)鍵。

此外，W-O在NiIrO_x中的相選擇性插入通過W-O-Ir橋接基序?qū)崿F(xiàn)電荷平衡，通過調(diào)節(jié)Ir-O共價有效抵消晶格氧損失。

圖1：NiWIrO_x電催化劑的合成與表征

圖2：NiWIrO_x納米晶體的形貌表征

圖3：NiWIrO_x催化劑的電化學活性

圖4：NiWIrO_x催化劑在OER過程中的穩(wěn)定性

圖5：在酸性O(shè)ER電催化過程中表面結(jié)構(gòu)的XPS和XAS分析

圖6：NiWIrO_x的OER機制

圖7：W-O-Ir基團的結(jié)構(gòu)表征

綜上，這項研究通過構(gòu)建含有橋接W-O基團的NiWIrO_x電催化劑，有效解決了Ir基電催化劑在酸性O(shè)ER中的活性與穩(wěn)定性矛盾。結(jié)果表明，該電催化劑在低Ir含量下表現(xiàn)出優(yōu)異的OER性能和長期穩(wěn)定性，具有重要的科學意義和應用前景。

研究人員開發(fā)了一種新型的NiWIrO_x電催化劑，在10 mA cm^-2的OER條件下僅需180 mV的過電位，且能在1.8 V下維持約300 h的穩(wěn)定性，電流密度達到300 mA cm^-2。

該成果對于開發(fā)高效、低成本的酸性水電解電催化劑具有重要意義，有望推動可再生能源技術(shù)的發(fā)展，特別是在質(zhì)子交換膜水電解（PEMWE）等工業(yè)應用中具有廣泛的應用前景。

Abdullah, M.I., Fang, Y., Wu, X.?et al.?Tackling activity-stability paradox of reconstructed NiIrO_x?electrocatalysts by bridged W-O moiety.?Nat. Commun.,?(2024).