酸性析氧反应（OER）动力学慢、稳定性差、含铱量高，对质子交换膜水电解槽（PEMWE）提出了重大挑战。虽然负载型催化剂可以提高Ir原子的利用率和活性，但它们往往不能减轻Ir的过度氧化和溶解的有害影响。在这里，我们利用Mn3+/Mn4+对的氧化还原特性作为电子调制器来开发一种低铱、耐用的酸性OER电催化剂。具体来说，通过熔盐辅助合成方法，将IrO2纳米颗粒固定在MnO2纳米线上（表示为IrO2/MnO2）。这种优化后的IrO2/MnO2电催化剂具有显著降低铱含量和增强电子结构的特点，这是由于强金属支撑相互作用。值得注意的是，与商用IrO2相比，IrO2/MnO2催化剂的内在活性提高了7倍，耐久性也更好。理论和实验结果都表明，Ir和Mn之间的动态电子转移促进了高氧化铱位点的快速形成，同时防止了过度氧化，从而提高了OER的动力学和稳定性。使用IrO2/MnO2作为阳极催化剂的PEMWE在不需要辅助酸性电解质的情况下达到2000 mA cm−2 @ 1.89 V。重要的是，PEMWE在恶劣的工业操作条件下（1000 mA cm−2），Ir负荷低至0.5 mg cm−2，降解可以忽略不计，同时保持45.58 kWh kg−1 H2的低能耗，对应于0.9 kg−1 H2的绿色制氢成本，显着低于2026年美国能源部的目标，强调了其实际应用的潜力。
(a) IrO2/MnO2和M-MnO2与标准PDF卡XRD。(b)二氧化锰的透射电镜图像。(c) IrO2/MnO2的TEM图像。(d) IrO2/MnO2的HRTEM图像。(e)图d区域的局部放大HRTEM图像。(f) HAADF-STEM图像（图c中的选择区域）和IrO2/MnO2的元素映射。
(a)合成催化剂的XPS Ir 4f谱，(b) XPS Mn 2p谱，(c) XPS O1s谱。(d) M-IrO2和IrO2/MnO2的EPR谱。
(a)催化剂在0.5 M H2SO4电解质中的质量活性。 (b)TOF。(c)塔菲尔。(d) EIS。(e) IrO2/MnO2和商用IrO2不同OER性能指标的总结(f) j = 10 mA cm−2时过电位与先前报道的酸介质中OER催化剂的比较。(g)在0.5 M H2SO4溶液中，IrO2/MnO2和IrO2在10 mA cm−2时的计时电位曲线。
(a) IrO2/MnO2和IrO2在1.62时对RHE的pH依赖性（iR未校正）。(b) IrO2/MnO2和(c) M-IrO2的原位拉曼光谱。(d)计算得到的IrO2和IrO2/MnO2 PDOS曲线。(e)提出了IrO2/MnO2和IrO2/MnO2析氧反应的4e−机理，用于DFT计算。（110）晶面中的Ir为活性位点。(f) ΔG为反应的吉布斯自由能。
(a) PEMWE的示意图。(b)使用IrO2/MnO2和IrO2阳极在80 °C下使用Nafion 115膜的PEMWE极化曲线。(c)使用不同铱基催化剂的PEM电解槽的操作活性（电池电位为1.9 V时的电流密度）和稳定性（性能退化率）的比较。(d)使用IrO2/MnO2阳极在纯水中以1 A cm−2工作时，PEMWEs的时间电位曲线。
本研究通过直接的熔盐辅助策略成功合成了锚定在MnO2底物（IrO2/MnO2）上的IrO2纳米颗粒（~1.7 nm）。我们的研究结果表明，IrO2/MnO2催化剂的铱质量含量低至21% %，在0.5 M H2SO4中表现出7倍的析氧反应（OER）固有活性，显著优于商用IrO2和自制IrO2。值得注意的是，在纯水中运行的质子交换膜水电解槽（PEMWE）中，IrO2/MnO2阳极在电流密度分别为1和2 A cm - 2时，电压分别降低了171 mV和290 mV。值得注意的是，PEMWE电池的最小降解率为0.10 mV h - 1 / 100 h，实现了 ~ 45.58 kWh kg - 1H2的能耗，尽管在苛刻的工业操作条件下（1000 mA cm - 2）阳极上的Ir还原超过50% %。这些结果明显优于文献中报道的其他负载型Ir基催化剂。补充实验表明，IrO2/MnO2的OER机制主要遵循吸附物演化机制（AEM），进一步证实了我们的催化剂具有显著的稳定性。通过熔融盐合成的MnO2基质的创新使用来增强IrO2的催化性能，为促进高氧化Ir位点快速形成的动态电子转移机制提供了新的见解，从而确保了高活性和稳定性。这个新概念解决了现有文献中的局限性，其中OER性能通常受到高贵金属负载或快速退化的影响；此外，本研究为未来的研究奠定了坚实的基础，旨在优化铱负载和探索替代基质，以提高OER催化剂的性能和成本效益。此外，将熔盐辅助策略扩展到其他贵金属系统，可以在设计高效耐用的催化剂方面取得重大进展，用于实际的PEMWE应用。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979724028856
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.12.033
本文仅技术交流，无盈利目的，侵权请联系删除！
热门跟贴