质子交换膜（PEM）水电解槽具有电流密度高、电压效率高、气体纯度高等优点，非常适合于太阳能、风能、水能等可再生能源的转换和储存。然而，PEM水电解槽在制氢中的大规模应用受到了精密催化剂的严重限制，特别是阳极的析氧反应（OER）电催化剂在酸性介质中稳定性较差。因此开发能在强酸性介质中稳定运行的高活性OER电催化剂势在必行。但是在电催化剂的设计中，OER的活性和稳定性通常难以兼顾。目前，铱（Ir）被认为是酸性介质中活性和稳定性最好的OER催化材料。虽然研究人员合成了多种Ir基电催化剂用于酸性OER，但是已报道的OER催化剂在低过电位（≤500 mV）下很难达到工业应用的要求，即2 A cm-2geo以上的高电流密度。研究发现载体应具有耐腐蚀性和电子可调性，因此作者决定选择高价金属钨（W）上，以研究在酸性介质中平衡OER活性和稳定性的催化剂-载体相互作用。
在2021年6月10日，中国科学技术大学熊宇杰教授和武晓君教授、香港理工大学K. C. Chan以及佛山科学技术学院胡飞教授（共同通讯作者）等人报道了一种双相IrW-W2B（W-Ir-B）合金，以阐明块体材料对载体的稳定作用。通过对W2B的连续选择性腐蚀，作者制备出了深度约200 nm的具有电催化活性的IrW纳米通道层，可以作为一种高效、超稳定的酸性OER电催化剂。这种负载型催化剂可以产生稳定的高电流密度为2 A cm-2geo，低过电位约为497 mV，在100 mA cm-2geo下可以保持至少800 h，而降解速率仅约为4 μV h-1，基本可以忽略不计，超过了强酸性介质（pH=0）中的最新技术指标（14 μV h-1）。此外，密度泛函理论（DFT）计算表明，IrW纳米通道中的催化剂-载体相互作用可以改变表面Ir和O原子（即(IrO2)n团簇）的电荷分布，限制(IrO2)n团簇的大小。因此，这种效应阻止了Ir原子积聚更多的O原子以形成可溶的高价态对应物，并且在基底上保留了一层薄薄的具有电催化活性的IrO2团簇。该发现为设计一种酸性OER电催化剂提供了机会，其在工业大电流密度下PEM基电解槽中具有高活性和长期稳定。
在高纯氩气（Ar）气氛下，作者采用水冷铜模铸造法制备了双相合金。W-Ir-B合金棒的X射线衍射（XRD）图案，表明其含有正交IrW和四方W2B的结晶相。透射电镜（TEM）图像显示，分离的结晶相在合金中呈现双连续和相互连接的结构。线扫描分析也显示了这两个区域的不同成分，进一步证明了所生产的W-Ir-B合金的相分离。此外，高分辨率TEM图像显示了具有良好结合界面的IrW和W2B相的清晰晶格条纹。
在形成IrW-W2B双相结构后，作者评估了该结构在酸性介质中作为OER催化剂的活性和稳定性。初始W-Ir-B合金（IrW-W2B双相结构）催化剂在电流密度为10 mA cm-2geo下表现出良好的OER活性，过电位约为291 mV，比工业IrO2和Ir/C催化剂低约11 mV和23 mV。在5000次循环伏安法（CV）测试后，IrW-W2B催化剂呈现出几乎不变的线性极化曲线，而IrO2和Ir/C催化剂的正位移，表明所制备的IrW-W2B催化剂具有优异的活性和稳定性。IrW-W2B样品的Tafel斜率约为78 mV dec-1，低于工业IrO2（82 mV dec-1）和Ir/C（93 mV dec-1）。循环后，IrW-W2B催化剂的活性保持不变，而IrO2和Ir/C催化剂的Tafel斜率分别达到101和116 mV dec-1，进一步表明IrW-W2B催化剂在酸性条件下的OER性能稳定。此外，IrW-W2B催化剂的Ir质量归一化电流为518 mA mgIr-1，表面Ir负载量约为78.9 μg cm-2，过电位为300 mV，高于或与现有技术相当已报道的Ir基材料，进一步证实了高OER活性。
IrW-W2B催化剂在经过120 h的酸性电催化后，各组成元素的浸出量也不是很显著，说明在长期的酸性电催化过程中，生成的Ir氧化物基活性中心是相当稳定的。经过120 h的长期酸性OER后，与反应2 h的纳米通道结构相比，纳米通道结构几乎没有变化，进一步证明了IrW-W2B催化剂的电化学稳定性。研究发现，在催化剂表面形成的Ir-O层可以作为主要的活性中心，在后续的OER电催化中对催化剂的活性和稳定性起着重要的作用。
最后，作者通过密度泛函理论（DFT）计算来分析IrW纳米通道的载体效应。作者模拟了IrO2团簇在IrW（002）表面吸附的微分电荷密度，在IrW载体下，Ir原子失去电子，而O原子获得电子。正电荷在Ir原子上的积累可以促进催化活性Ir-O中间体的形成，从而提高OER性能。对于IrO2（n=1）团簇，不同位置吸附的O-Ir的结合能为6.03、6.17和5.50 eV，弱于单个IrO2分子的结合能（6.91 eV），表明IrW基底降低了O-Ir的键合强度。当n=2时，得到了相似的结果。当n=4时，O-Ir键趋于断裂。总之，这种载体效应不仅有利于IrW-W2B催化剂在酸性催化过程中保持高活性和稳定性，而且有助于长期的稳定性。
IrW nanochannel support enabling ultrastable electrocatalytic oxygen evolution at 2 A cm-2 in acidic media. Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-23907-1.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-23907-1.
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