新策略可有效穩定負載型低銥催化劑結構長期穩定性

華東理工大學教授楊化桂、副教授劉鵬飛、教授戴升團隊，發現了一種載體原位溶出誘導的物種捕獲效應，可有效穩定催化劑在陽極析氧反應（OER）強氧化環境中的穩定性，加深了非氧化物材料作為OER催化劑載體的工況構效關系理解，并為可控構建超薄催化電極結構提供了一種全新思路，進而有助于大幅降低PEM電解水技術對貴金屬的高度依賴性。相關研究近日發表于《德國應用化學》。

可再生能源驅動的質子交換膜（PEM）電解水制氫技術是解決能源枯竭和環境污染問題的有效途徑，然而其大規模部署目前仍然高度依賴貴金屬催化電極材料，其中OER中銥（Ir）基催化劑的用量成為制約該技術未來發展的關鍵。過渡金屬氮化物具有類金屬的導電性，是理想的新型電催化劑載體。然而，過渡金屬氮化物在OER強氧化環境中的結構演化嚴重影響催化劑的長期穩定性，識別其工況穩定的真實構效關系有助于可控構建新型負載型低銥催化劑材料。

研究團隊以Ir/氮化鈦（TiN）負載型催化劑為模型材料，追蹤了其在長期OER過程中的結構演化趨勢，發現了一種載體原位溶出誘導的物種捕獲效應，通過載體失穩反向強化催化劑穩定性。具體而言，隨著反應進行，TiN載體逐漸氧化溶出，同時部分Ti物種被催化劑表面捕獲，趨于形成表面Ti錨定的無定形氧化銥（IrO_x）穩定結構，從而有效抑制了活性非晶IrO_x的進一步溶出。

OER長期運行過程中TiN載體動態溶出誘導的Ti捕獲效應對非晶IrO_x催化劑的穩定化作用機制。圖片由研究團隊提供

進一步地，研究團隊基于該策略構建了新型負載型催化劑。測試結果顯示，利用該催化劑，反應過程中Ir的溶出減少了89%，性能衰減速率降低83%。值得一提的是，這種材料結構在工況環境下自適應溶出的特點，也在催化層中引發了一種獨特的自增厚效應，避免了超薄催化涂層結構完整性、機械穩定性以及平面電導率差的問題。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/ange.202504212