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研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-16 14:03

正文

▲第一作者：Wenjuan Shi、Tonghao Shen

通讯作者：Bo Zhang、Yifei Xu、Sai Duan、Xin Xu

通讯单位：复旦大学

论文doi：10.1126/science.adr3149 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

背景介绍

随着全球碳中和目标的推进，绿氢（通过可再生能源电解水制取）被视为未来清洁能源体系的核心。质子交换膜水电解槽（ PEMWE ）因其高电流密度、快速响应和低气体交叉率成为最具潜力的绿氢制备技术。然而，其阳极析氧反应（ OER ）催化剂 —— 铱基材料（如 IrO _x ）的高成本（ >180 美元 / 克）和稀缺性（地壳中仅占 3×10 ^-6 ppm ），严重制约了 PEMWE 的规模化应用。

当前，铱基催化剂的稳定性问题尤为突出：在强酸性、高氧化电位和气泡冲刷的严苛工况下，铱纳米颗粒（ NPs ）易发生溶解、再沉积、脱落和聚集，导致电压衰减率高达 ~100 μV/h ，远未达到美国能源部（ DOE ） 2026 年目标（ 2.3 μV/h ）。为此，研究者尝试通过载体负载、合金化等手段提升稳定性，但均未能同时满足高活性和超低降解率的要求。

本文亮点

1. 本工作提出了一种熟化诱导嵌入（ Ripening-Induced Embedding, RIE ）策略，成功将 IrNPs 嵌入氧化铈（ CeO _x ）载体中，解决了传统负载型催化剂的稳定性瓶颈。

2. 本工作实现了超低电压衰减率。在 6000 小时加速老化测试中， RIE-Ir/CeO _x 催化剂的电压衰减率仅 1.33 μV/h ，远低于 DOE 目标（ 2.3 μV/h ），且总铂族金属（ PGM ）负载量低至 0.4 mg/cm² 。

3. 在 3 A/cm² 电流密度下， PEMWE 工作电压仅需 1.72 V （ DOE 目标为 1.8 V ），同时铱负载量仅为 0.3 mg/cm² ，实现了高活性与低铱负载。

4. RIE 策略可推广至其他金属 - 载体组合（如 Ir/ZrO _x 、 Pt/CeO _x ），为设计高稳定性催化剂提供了通用方法。

图文解析

图 1. RIE 策略的机理示意图

要点：

1、通过调控载体（如 CeO _x ）的熟化速率与 Ir NPs 的成核速率，实现 Ir 纳米颗粒的深度嵌入。高能晶面（如 CeO _x 的（ 211 ）面）生长速率快，与 Ir 的快速成核匹配，形成稳固的嵌入结构。

2、根据 Lifshitz-Syozov 理论，载体表面能越高，熟化速率越快。通过超声波处理暴露高能晶面，加速 CeO _x 的溶解 - 再沉积过程，为 Ir 嵌入提供动力学条件。

3、Ir NPs 在氧化过程中发生体积膨胀（ Ir → IrO _x ），进一步锚定于 CeO _x 载体中，抑制脱落和聚集。

图 2. RIE 催化剂的合成过程与结构表征

要点：

1、初始合成的 CeO _x 颗粒（ ~7.9 nm ）通过超声处理暴露粗糙表面（图 2A ），随后在 Ir 负载过程中逐步长大至 10.4 nm （图 2C ）。低温电子断层扫描（ cryo-ET ）显示 Ir NPs 从表面吸附（ 5 分钟）到半嵌入（ 60 分钟）的渐进过程（图 2E-G ）。

2、超声引入的瞬态高温（ 5000-5500 K ）和高压促进 CeO _x 表面原子的溶解，使熟化速率提升 3 倍（图 2H ）。全原子动力学蒙特卡洛（ KMC ）模拟验证了表面侵蚀对载体生长的促进作用（图 2I-L ）。

3、最终 RIE-Ir/CeO _x 中， IrNPs 嵌入深度约 1 nm （接近颗粒半径），通过球差校正 STEM （图 2D ）和 ET 截面（图 2H 插图）清晰可见，实现了 嵌入深度的优化 。

图 3. RIE 催化剂在 PEMWE 中的性能

要点：

1、本工作实现了极化曲线的突破。 RIE-Ir/CeOx 在 3 A/cm² 下的电压（ 1.72 V ）显著低于对照催化剂 C-Ir/CeO _x （ 1.88 V ）和商用 IrO _x （ 1.92 V ）（图 3A ），且法拉第效率 >98% 。

2、长期稳定性验证见图 3B 。在 8 A/cm² 高电流密度下运行 100 小时， RIE 催化剂电压仅上升 2 mV ，而对照催化剂（ C-Ir/CeO _x ）因 NPs 脱落导致电压骤升 200 mV （图 3B ）。 TEM 对比显示 RIE 催化剂结构完好，而对照组出现明显团聚（图 3B 插图）。

3、6000 小时加速老化测试证明，多级电流测试（ 1-8 A/cm² ）中， RIE 催化剂的电压始终稳定，衰减率低至 1.33 μV/h （图 3C ），满足 DOE 2026 年目标（ 2.3 μV/h ）。

图 4. RIE 策略的可靠性与扩展性

要点：

1、10 组独立 PEMWE 装置在 1-8 A/cm² 范围内的电压曲线高度重合（图 4A ），验证了 RIE 催化剂的制备可重复性和稳定性。

2、 I r/ZrO _x 验证结果发现，嵌入结构使电压衰减率降低至 0.8 mV/h （对照组为 3.5 mV/h ），尽管活性略低（图 4D ）。阴极析氢反应（ HER ）中， RIE-Pt/CeO _x 的稳定性显著优于未嵌入的 Pt/CeO _x （图 4G ）。

3、最后本工作进行了普适性验证。 RIE-Ru/TiO _x 在 NaBH₄ 水解反应中同样表现出高稳定性，证明该策略适用于多种催化体系。

总结与展望

本文通过熟化诱导嵌入策略，成功解决了 PEMWE 中铱基催化剂的稳定性难题。 RIE-Ir/CeO _x 不仅实现了 DOE 2026 年的活性与负载目标，其电压衰减率（ 1.33 μV/h ）更达到了 DOE 终极目标（ 2.0 μV/h ），为绿氢规模化生产提供了关键技术支持。此外， RIE 策略的普适性为设计高稳定性催化剂开辟了新路径，未来有望应用于燃料电池、二氧化碳还原等领域，推动清洁能源技术的进一步发展。

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