寧波材料所在質(zhì)子交換膜電解水機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展
氫能被視為推動(dòng)可再生能源發(fā)電規(guī)?；淖罴涯茉摧d體，而電解水制氫則是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的重要途徑之一。在眾多電解水制氫技術(shù)中，質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)（Proton Exchange Membrane，PEM）具有裝置緊湊（≤0.3 m2）、電流密度大（>1 A cm-2）、產(chǎn)氫純度高（≥99.99%）、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快（毫秒級(jí)）等諸多優(yōu)勢(shì)。然而，PEM中陽(yáng)極氧析出反應(yīng)（Oxygen Evolution Reaction，OER）存在電子轉(zhuǎn)移數(shù)多、動(dòng)力學(xué)緩慢、過(guò)電位高等問(wèn)題，制約了水分解反應(yīng)的整體效率。要解決這一問(wèn)題，必須從反應(yīng)機(jī)理層面出發(fā)，基于OER反應(yīng)的本質(zhì)，合理設(shè)計(jì)催化劑材料結(jié)構(gòu)。
然而，普遍接受的吸附中間體演化機(jī)制（Absorbate Evolution Mechanism，AEM）和晶格氧參與機(jī)制（Lattice Oxygen Mechanism，LOM）難以同時(shí)兼顧活性和穩(wěn)定性。因此，各種新型反應(yīng)路徑被不斷提出，以期進(jìn)一步解釋和指導(dǎo)高活性析氧催化劑的合成。在眾多新型反應(yīng)機(jī)制中，氧化路徑機(jī)制（Oxide Pathway Mechanism，OPM）是一種理想的兼顧活性和穩(wěn)定性的反應(yīng)路徑。該機(jī)制通過(guò)直接偶聯(lián)兩個(gè)鄰位的表面氧自由基生成氧分子，在抑制*OOH生成的同時(shí)，避免了氧缺陷的產(chǎn)生。然而，OPM機(jī)制中鄰位氧自由基的直接耦合（*O-*O）對(duì)催化劑雙活性位點(diǎn)的原子尺度和電子結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)苛要求。目前，對(duì)于OPM機(jī)制型催化劑的開(kāi)發(fā)主要集中在釕基催化劑上，而已大規(guī)模商業(yè)化的銥基材料在OPM機(jī)制方面仍然停滯不前。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所氫能與儲(chǔ)能材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室王宇楠研究員、陸之毅研究員及其團(tuán)隊(duì)成員，共同合作利用堿土金屬氧化物（Sr(OH)2）作為模板及元素?fù)诫s劑，首次成功制備了銥基OPM型催化劑Sr-IrOx，即（200）晶面高度暴露的鍶摻雜IrOx（如圖1），提升了PEM中陽(yáng)極氧化反應(yīng)的效率和穩(wěn)定性。得益于IrO2（200）面上高密度可用的相鄰銥位點(diǎn)，以及鍶對(duì)Ir-O共價(jià)性的有效調(diào)控，Sr-IrOx能夠在酸性水氧化過(guò)程中促進(jìn)直接氧-氧耦合，繞過(guò)生成*OOH中間體的高能屏，實(shí)現(xiàn)在酸性環(huán)境下高效穩(wěn)定的OER。在質(zhì)子交換膜電解水器件中，Sr-IrOx在1A cm-2電流下可穩(wěn)定工作超500小時(shí)（如圖2）。Sr-IrOx電催化劑的優(yōu)異性能為未來(lái)大規(guī)模的酸性水電解制氫應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有望推動(dòng)氫能生產(chǎn)技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。
該項(xiàng)研究成果以“Strontium Doped IrOx Triggers Direct O-O Coupling to Boost Acid Water Oxidation Electrocatalysis”為題，發(fā)表在國(guó)際知名期刊Angewandte Chemie International Edition上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202418456）。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA1502200）、國(guó)家自然科學(xué)基金（22405284）、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022C01158）、寧波市科技創(chuàng)新2025重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)（2022Z205）、寧波市“甬江引才工程”（2021A-036-B）等項(xiàng)目的支持。
圖1 Sr-IrOx的合成示意圖及結(jié)構(gòu)表征
圖2 Sr-IrOx的電化學(xué)/器件性能及機(jī)理示意圖
（氫能與儲(chǔ)能材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 張無(wú)用）
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