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質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫具有高制氫速率、高氫氣純度、快速響應(yīng)和緊湊設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為可再生能源制氫領(lǐng)域最有前途的技術(shù)之一。迄今為止，銥（Ir）基催化材料因其出色的穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于商業(yè)化PEM水電解槽。然而傳統(tǒng)的商用PEM電解槽需要高負(fù)載量的Ir（2–4 mg/cm²）作為陽極催化劑才能滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，而Ir的低豐度和高成本在很大程度上嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的進(jìn)一步部署。在最近的研究報(bào)道中，負(fù)載型低Ir基催化劑的穩(wěn)定性和活性在很大程度上得到提高，但這些催化劑仍然需要0.5–2 mgIrcm^-2的負(fù)載量才能使其在PEM電解槽中表現(xiàn)出令人滿意的活性和穩(wěn)定性。因此，在保持PEM水電解的活性和穩(wěn)定性的同時(shí)，將Ir負(fù)載量降低到0.5 mgIrcm^-2以下仍具有挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一關(guān)鍵問題，材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高效穩(wěn)定的負(fù)載型低銥電催化劑材料——多孔四方氧化鋯上負(fù)載氧化銥團(tuán)簇（IrO_x/t-ZrO₂），其在三電極體系下1.6 V vs. RHE時(shí)表現(xiàn)出1464.6 A gIr^-1的高質(zhì)量活性。結(jié)構(gòu)表征、電化學(xué)分析和理論計(jì)算揭示了在IrO_x團(tuán)簇上的活性晶格氧機(jī)制（LOM），由于反應(yīng)過程中t-ZrO₂襯底溢出的氧物種填充而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通過四甲基氯化銨（TMACl）分子探針、pH依賴性、原位¹⁸O標(biāo)記的電化學(xué)差分質(zhì)譜（DEMS）測(cè)試結(jié)果表明四方相t-ZrO₂負(fù)載的IrO_x/t-ZrO₂樣品遵循LOM反應(yīng)機(jī)制，這種路徑使得樣品有高的OER反應(yīng)活性；借助原位XAFS、原位紅外、原位拉曼和理論計(jì)算證明了氧溢流穩(wěn)定的LOM途徑，氧物種能夠從t-ZrO₂載體遷移到IrO_x位點(diǎn)，及時(shí)填補(bǔ)了失去的晶格氧，避免了可溶性*VO-IrO₄^2-中間體的產(chǎn)生，從而提高樣品的工況穩(wěn)定性。在使用IrOx/t-ZrO₂作為陽極材料的PEM電解槽測(cè)試中，僅使用0.1 mgIrcm^-2的低Ir負(fù)載量就可以在1.9 V下表現(xiàn)出3.10 A cm^-2的電流密度，并且在1600小時(shí)1 A cm^-2的電流密度下進(jìn)行的穩(wěn)定性測(cè)試期間，活性衰減率僅表現(xiàn)出6.25 μV h^-1。本研究工作不僅啟發(fā)了酸性水氧化活性位點(diǎn)和載體之間氧物種的調(diào)節(jié)機(jī)制，而且為下一代低Ir負(fù)載量的PEM電解槽提供了參考。

該工作主要由材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生方頌儒、碩士研究生楊海翔在劉鵬飛副教授、袁海洋副教授、楊化桂教授等人的指導(dǎo)下完成。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項(xiàng)目資金的支持。