​AFM：催化剂-载体相互作用！在酸性析氧反应中同时获得活性与稳定性

虽然到2026年，全球可再生能源发电能力预计将达到4800 GW，比2020年增长60%，但这种能源的间歇性阻碍了其继续发展。目前认为，利用可再生能源供电的电解水是克服间歇性可再生能源局限性的最有前途和最实用的手段。就电解水的整体活性而言，析氧反应(OER)的动力学占主导地位，因为该过程明显慢于析氢反应(HER)。尽管氧化铱(IrO₂)因其高活性和可接受的稳定性常被用作OER催化剂，但Ir存在价格较为昂贵等缺点。

基于此，忠南大学Hyun You Kim、韩国能源研究院Sechan Lee和Hyun-Seok Cho以及德克萨斯大学奥斯汀分校Graeme Henkelman(共同通讯)等人以Zr₂ON₂为载体，制备了IrO_x/Zr₂ON₂电催化剂，使得催化剂同时具有OER活性和稳定性。

在制备的IrO_x/Zr₂ON₂、IrO_x/ZrN和IrO_x/ZrO₂催化剂中，本文研究发现IrO_x/Zr₂ON₂表现出最高的催化活性，与商业IrO_x电催化剂的催化性能相当。更具体地说，在10 mA cm^-2的电流密度下，IrO_x/Zr₂ON₂、IrO_x/ZrN和IrO_x/ZrO₂的过电位分别为255、283和290 mV，IrO_x/Zr₂ON₂的过电位明显低于IrO_x/ZrN和IrO_x/ZrO₂。

此外，Tafel斜率证实IrO_x/Zr₂ON₂具有最快的OER动力学(48.0 mV dec^-1)。更重要的是，IrO_x/Zr₂ON₂在1.55 V时表现出849 mA mg_Ir^-1的最高质量活性，约是商业IrO_x和IrO_x/TiO₂电催化剂的3倍和14倍。随后，本文在10 mA cm^-2的电流密度下通过5小时的计时电位测试来验证三种催化剂的稳定性。

虽然IrO_x/Zr₂ON₂，IrO_x/ZrO₂和IrO_x催化剂的电势在测试过程中发生了变化，但这种变化是为微弱的，这说明这三种催化剂具有优异的催化性能。上述测试结果表明，制备的IrO_x/Zr₂ON₂具有优异的催化性能。为了进一步验证IrO_x/Zr₂ON₂电催化剂作为质子交换膜电解水装置阳极的可行性，本文测试了催化剂的电流-电压曲线并对催化剂在1.0 A cm^-2下进行了50小时的长期稳定性测试。在2.0 A cm^-2的电流密度下，由IrO_x/Zr₂ON₂组成的膜电极显示出1.927 V的电压，这甚至低于商业膜电极。

值得注意的是，使用IrO_x/Zr2ON₂制备的膜电极中Ir的负载量为0.4 mg_Ir cm^-2，而商业膜电极的Ir的负载量为2.0 mg_Ir cm^-2。此外，由IrO_x/Zr₂ON₂组成的膜电极的性能在50小时内保持稳定，电势几乎没有增加。实验结果清楚地证实了IrO_x/Zr₂ON₂作为质子交换膜电解水装置阳极催化剂的可行性和稳定性。

结合表征结果等结果可以得知，本文制备的IrO_x/Zr₂ON₂的出色的电化学性能可以归因于IrO_x和Zr₂ON₂纳米粒子之间的强相互作用以及从载体到催化剂的电荷转移。此外，本文还对分散的IrO_x纳米粒子和表面完全氧化的IrO_x/Zr₂ON₂进行了密度泛函理论(DFT)计算，对上述研究结果进行了更深刻的论证。计算结果表明，对于IrO_x和Zr₂ON₂，从Zr₂ON₂总共转移了2.14 e^–到IrO_x表面，这些电子减少了IrO_x并活化了Ir-O键。

更重要的是，结合自由能结果可以发现，由于拉伸应变(operando-X射线吸收光谱表明，与商业IrO₂相比，IrO_x/Zr₂ON₂电催化剂的Ir-O键被拉长)和电荷转移，IrO_x/Zr₂ON₂的反应途径由传统的吸附物质演化机制转变为晶格氧参与机制，因此IrOx/Zr₂ON₂的理论起始电位(330 mV)低于分散的IrO_xNP(790 mV)，这与实验结果也保持了一致。综上所述，本文的研究结果为催化剂同时具有活性和稳定性提供了一种新的策略。

Catalyst-support interactions in Zr₂ON₂-supported IrO_x electrocatalysts to break the trade-off relationship between the activity and stability in the acidic oxygen evolution reaction, Advanced Functional Materials, 2023, DOI: 10.1002/adfm.202301557.

https://doi.org/10.1002/adfm.202301557.