質子交換膜水電解(PEMWE)以其負載響應快、操作壓力高、氫氣氣體純度超高、電流密度高等優(yōu)點，受到人們的廣泛關注。然而，PEMWE大規(guī)模應用的主要障礙之一是陽極析氧反應(OER)動力學緩慢，需要相當大的過電位才能達到工業(yè)所需的效率，導致整個水電解過程中顯著的能量損失。
在過去的幾十年中，人們致力于開發(fā)具有高活性和穩(wěn)定性的Ru或Ir基催化劑用于酸性OER。其中，RuO2具有低成本和高效能的特點，但在高電流密度下會遭受嚴重的腐蝕或溶解。與RuO2不同，IrO2需要更高的電池電壓，但在酸性條件下表現出更高的抗溶解能力。因此，將Ir引入前者的晶格中，形成復合氧化物固溶體，被認為是提高整體性能的有效策略。此外，通過在上述RuIr基氧化物中引入另一種非貴金屬元素，所得到的多金屬氧化物，如W-IrRu3Ox、SrRuIrOx和CdRu2IrOx，通常表現出由于所謂的構型熵效應、電子能帶占據、結構配體穩(wěn)定化和“雞尾酒”效應而顯著提高的性能，從而取得顯著改善的性能。基于此，北京化工大學劉景軍和云南貴金屬實驗室劉鋒等首次采用低溫定向共熱解的方法，在300 °C溫度下，在工業(yè)Ti箔上制備了沿低能(110)面具有明確晶體取向的RuIrAgMnO2氧化物。金紅石型RuIrAgMnO2沿(110)面織構系數為1.13，這是氧化物中Ag和Mn組分協同形成的結果，其巨大振動熵為1.13 R (R為氣體含量)。同時，RuIrAgMnO2顯示出優(yōu)異的酸性OER活性，在10和100 mA cm-2電流密度下的過電位分別為171和23 mV，低于商業(yè)IrO2 (124和163 mV)；并且，該催化劑能夠在100 mA cm-2下連續(xù)電解超300小時，顯示出良好的穩(wěn)定性。此外，以RuIrAgMnO2作為陽極和Pt/C作為陰極組裝的酸性水電解槽僅需1.52 V的電池電壓就能達到100 mA cm-2的電流密度，并在該電流密度下連續(xù)電解340小時而沒有發(fā)生明顯活性下降。理論計算表明，RuIrAgMnO2性能改善歸因于(110)面的出現導致晶體取向面上的局部高水平拉伸和壓縮應變，其通過電子能帶成形和重建激活OER過程；同時，拉伸應變取向的氧化物具有更高的遷移能壘，阻止了活性金屬離子的擴散，確保了活性和長期穩(wěn)定性的同時提高。總的來說，這項工作證明通過可控的組成/結構熵設計實現了酸性OER水分解過程中活性和穩(wěn)定性之間的平衡關系，為通過構型熵效應、集成晶體取向和組分配體穩(wěn)定化等方法開發(fā)具有特殊晶體取向的熵基多金屬氧化物提供了理論依據。Textured RuIrAgMnO2 oxides with preferentially orientated (110) facet by concerted shaping of Ag and Mn for stable acid water oxidation. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202411766
