英文原题：Hexavalent iridium boosts oxygen evolution performance

作者：Mengtian Huo, Yu Liang, Kaichi Qin, Guanzhi Wang*, Zihao Xing*, Jinfa Chang*

01 论文信息

论文信息

Mengtian Huo, Yu Liang, Kaichi Qin, Guanzhi Wang, Zihao Xing, Jinfa Chang. Hexavalent iridium boosts oxygen evolution performance[J]. Green Carbon, 2024 2 (4) 403-404.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.07.003

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Hexavalent iridium boosts oxygen evolution performance

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Green Carbon文章│东北师范大学常进法和邢子豪、劳伦斯伯克利国家实验室王冠芝：六价铱提高析氧性能

02 背景简介

质子交换膜水电解（PEMWE）绿色制氢被认为是一种很有前途的可持续制氢技术。铱基氧化物（IrOₓ）具有较高的耐久性和活性，其作为析氧反应（OER）的阳极催化剂被广泛应用于PEMWE。但是“铱”作为地球上最为稀缺的元素之一，其高昂的价格促使研究者必须最大化减少其使用量。因而，开发低负载的“铱”基催化剂对于大规模应用PEMWE电解制氢至关重要。近期日本理化学研究所李爱龙研究员、孔爽研究员、Ryuhei Nakamura教授等人在Science上发表题为“Atomically dispersed hexavalent iridium oxide from MnO₂ reduction for oxygen evolution catalysis”的研究论文（Science. 384 (2024) 666-670），开发出了一种新型原子分散六价氧化铱催化剂（Ir^VI -ado），与传统的氧化铱相比，所开发的催化剂具有更低的铱负载量和更好的比活性。

东北师范大学常进法教授、邢子豪副教授联合劳伦斯伯克利国家实验室王冠芝博士于Green Carbon上发表标题为“Hexavalent iridium boosts oxygen evolution performance”的文章，对发表在Science上的这项研究工作进行了评述，讨论了新型原子分散六价氧化铱催化剂（Ir^VI -ado）在基于Ir的PEMWE技术工业发展方面的重要意义和潜在应用方向。

03 文章简介

近日，日本理化学研究所李爱龙研究员、孔爽研究员、Ryuhei Nakamura教授研究团队在质子交换膜水电解（PEMWE）技术领域取得重大突破。该研究团队开发了一种新型原子分散六价铱氧化物催化剂（Ir^VI-ado），其铱负载量显著低于传统的IrO₂，且具有更高的比活性。尽管氢气是PEMWE的主要产物，但阳极析氧反应（OER）的缓慢反应动力学速率是制约其商用的主要原因之一。铱基氧化物催化剂虽具备良好的耐久性和OER活性，却因铱的稀缺性面临成本挑战。许多研究试图通过将Ir与其他非贵金属元素混合或创建混合氧化态IrOₓ以减少Ir载量。到目前为止，还没有开发出在PEMWE条件下性能与IrO₂相当的催化剂。六价氧化铱（IrO₃）在酸性条件下有望表现出最高的活性和稳定性；然而，由于在酸性条件下易于阳离子浸出和溶解，其高效率尚未得到实验证实。

该团队的研究表明，Ir^VI-ado催化剂在酸性条件下展现出卓越的OER活性和稳定性，PEMWE在2.0 V的工况下达到了4.0 A cm⁻²的电流密度，同时铱的负载量较商用催化剂减少超过96%。Ir^VI-ado的质量活性达到1.7×105 A g Ir^-1，转化数（TON）也超过了传统IrO₂，该Ir^VI-ado的成功开发和报道为PEMWE技术的工业化发展带来了新希望。

总结及展望

李爱龙、孔爽、Ryuhei Nakamura及其团队通过原位X射线吸收光谱（XAS）和X射线光电子能谱（XPS）分析，详细探讨了催化剂高活性和稳定性的原因。在Ir的氧化过程中，锰的氧化态发生变化，这一发现进一步支持了MnO₂作为氧化剂的角色。尽管研究结果令人鼓舞，但针对锰基氧化物在酸性条件下的稳定性及其他可能的过渡金属氧化物（如TiO₂和SnO₂）的替代使用仍需进一步探讨。除铱外，钌（Ru）也被认为是一种兼具成本效益和活性的酸性OER催化剂。未来的研究可聚焦于通过引入还原剂来抑制Ru基催化剂在反应过程中的过氧化现象，从而提高其稳定性。总而言之，这项研究不仅为未来绿色氢气的可持续生产提供了新思路，也为PEMWE技术的广泛应用奠定了基础。

04 作者简介

王冠芝 博士后

王冠芝，劳伦斯伯克利国家实验室储能与分布式资源部能源转换组博士后。先后于2013年和2016年在山东大学获学士和硕士学位，2023年于中佛罗里大学获博士学位。研究兴趣为新型质子交换膜水电解（PEMWE）、液态碱性水电解（LAWE）电解槽的研发，新型催化剂和微孔层/气体扩散层（MPL/PTL）设计，液态碱性水电解的性能限制和降解机制，等。已在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Joule、Nature Commun.、Nature Energy、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.等期刊发表论文30余篇。

刑子豪 副教授

邢子豪，东北师范大学化学学院副教授，先后于2013年、2019年获得吉林大学工学学士学位和理学博士学位。2019-2022年在深圳大学微纳光电子学研究院和德国伊尔梅瑙工业大学进行联合博士后研究。主要研究方向为碳基材料的理性设计、可控合成及电催化性能研究。相关工作在Adv. Mater.等期刊发表论文十余篇。

常进法 教授

常进法，东北师范大学化学学院教授、博士生导师、国家级高层次青年人才、Green Carbon青年编委。主要研究兴趣为电催化氢-电能量转化关键电极材料与器件；尤其关注功能纳米贵金属、非贵金属材料理性设计、精准合成及电催化反应机理、实际应用等。先后获第九届中国电化学青年奖（2024）、Green Carbon期刊优秀青年编委（2024）、第二届大连催化+国际峰会Wiley SCINEXT催化+青年奖（2024）、Nano Research期刊优秀编委（2024）、中国化学会纳米能源研究学术新星奖金奖（2023）、第三批“吉林省高校黄大年式教师团队”（2023）、吉林省自然科学奖一等奖等（2017），等。已在Nature Energy、Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Joule等期刊发表论文60余篇，申请/授权美国及中国专利多项。

05 Green Carbon

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