基于聚合物電解質(zhì)膜(PEM)的水電解已被證明在與可再生能源的相容性方面優(yōu)于堿性水電解，這歸功于其快速響應(yīng)和在高電流密度工作的能力。雖然Ir迄今為止一直是催化緩慢的析氧反應(yīng)(OER)的首選元素，但它的稀缺性嚴(yán)重阻礙了PEM水電解槽(PEMWE)的廣泛采用。為此，通過提高催化活性和降低Ir負(fù)載來降低催化劑的成本一直是幾十年來研究的熱點(diǎn)，并且采用廉價的金屬氧化物作為Ir的載體是一種有效提高催化活性的途徑。
近日，中科院長春應(yīng)化所邢巍、葛君杰、王穎和中科院上海應(yīng)物所姜政等以Nb2O5-x負(fù)載Ir作為模型催化劑(Ir/Nb2O5-x)并結(jié)合operando光譜，證明了偏壓誘導(dǎo)的催化劑/支撐界面可以通過動態(tài)界面氧遷移機(jī)制促進(jìn)OER性能。具體而言，通過同時監(jiān)測Ir、Nb和O的局部結(jié)構(gòu)，光譜結(jié)果顯示：1.O可以從Nb2O5-x遷移到Ir納米顆粒，生成Ir-O配位結(jié)構(gòu)；2.Ir表面過量的O可以在Nb2O5-x中的Nb4+上得到反饋。
理論模擬進(jìn)一步證明了在工作條件下界面氧物種的動態(tài)遷移具有較小的能壘。這一過程不僅在OER催化過程中引入了IrOx上的一個新的變量，從而打破了尺度關(guān)系，而且在高電位下保持較低的氧化還原狀態(tài)，保證了IrOx的穩(wěn)定性。
因此，優(yōu)化后的Ir/Nb2O5-x在PEMWE中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，在1.839 V時提供的電流密度為3 A cm-2，并且在2 A cm-2下連續(xù)運(yùn)行超過2000小時，具有顯著的耐久性。此外，用Ir/Nb2O5-x組裝的單電池可產(chǎn)生8 A cm-2的電流密度，并在與風(fēng)力發(fā)電耦合運(yùn)行條件下表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。這種動態(tài)的催化劑/載體界面相互作用為設(shè)計具有高催化性能的電催化劑提供了理論基礎(chǔ)。
Enhanced Acidic Water Oxidation by Dynamic Migration of Oxygen Species at the Ir/Nb2O5-x Catalyst/Support Interfaces. Angewandte Chemie International Edition, 2022. DOI: 10.1002/anie.202212341
