开发高效、稳定的阳极电催化剂是质子交换膜（PEM）水电解槽的一个巨大挑战。本文通过熔盐密封的方法在IrO2中掺杂Mn来激活Ir位点，优化后的Mn0.1Ir0.9O2表现出优异的OER性能。Mn掺杂优化了IrO2的电子结构和优势晶面，我们的互补表征证明了这一点。令人印象深刻的是，Mn0.1Ir0.9O2在PEM水电解槽中表现出优异的性能，只需要1.79 V就可以达到1 A cm - 2，并提供超过1200 h的长期稳定性（与原始样品的1.27 mV/h相比，衰减仅为17.5 μV h - 1）。DFT计算表明Mn掺杂可以激活Ir位点，从而降低了促进OER的速率决定步骤的能垒。为PEM水电解槽在实际工况下设计高耐受性催化剂提供了一种思路。
Mn0.1Ir0.9O2催化剂的形貌。(a) Mn0.1Ir0.9O2催化剂的TEM图像。(b) Mn0.1Ir0.9O2催化剂的HR-TEM和SAED图。(c) Mn0.1Ir0.9O2催化剂的HAADF及相应的元素映射图。
(a) IrO2、Mn0.05Ir0.95O2、mn0.1 Ir0.95O2和Mn0.15Ir0.85O2样品的Ir - r空间XANES光谱(b)和FT-EXAFS光谱。(c) MnO2、Mn2O3、Mn0.05Ir0.95O2、Mn0.1 Ir0.95O2和Mn0.15Ir0.85O2样品的Mn k边XANES光谱(d)和Mn r空间FT-EXAFS光谱。
三电极系统的OER性能。(a)室温0.5 M H2SO4中扫描速率为5 mV/s的LSV曲线，(b) Tafel斜率，(c) IrO2、Mn0.05Ir0.95O2、Mn0.1Ir0.99O2和Mn0.15Ir0.85O2催化剂的电化学双层容量，(d) 10 mA cm−2恒流测试。
PEM水电解槽性能试验。(a) Nyquist图，(b)极化曲线和(c)在电流密度为1 A cm−2的情况下，PEM水电解槽中Mn0.1Ir0.9O2和IrO2阳极的下降可以忽略不计的耐久性测试（插入照片是测试PEM水电解槽）。
OER过程中催化剂的DFT计算。(a)以*、OH*、O*和OOH*为吸附中间体的四步反应机理参与了Mn0.1Ir0.9O2催化剂模型的OER过程。(b) IrO2、Mn0.05Ir0.95O2、Mn0.1Ir0.99O2和Mn0.15Ir0.85O2催化剂OER中间体的吉布斯自由能。
在这项工作中，我们展示了一种高度稳定的Ir基催化剂，并将其用于PEM水电解槽中。与未掺杂的IrO2相比，Mn掺杂可以促进优势晶面的暴露，调节IrO2的电子结构，激活Ir Site。在含有0.5 M H2SO4溶液的三电极电化学体系中，Mn掺杂的IrO2比未掺杂的IrO2表现出显著提高的OER活性和稳定性。在PEM水电解槽中进一步验证了Mn0.1Ir0.9O2催化剂的性能，在1 A cm−2时电池电压为1.79 V，在相同的大电流密度下，耐久性在1200 h以上，无明显衰减，远优于未掺杂的IrO2。DFT计算将OER性能增强的内在原因归因于OER过程中速率决定步骤的能量势垒降低。本研究为探索适合实际工况的高耐受性材料提供了途径，有利于PEM水电解槽催化剂的工业应用设计。
Activation of iridium site based on IrO2 catalysts towards highly stable PEM water electrolyzer - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120912
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