清华/浙大Science子刊：Ir-Sn对位点触发关键氧自由基中间体，实现高效稳定酸性水氧化

质子交换膜水电解槽(PEMWE)具有电流密度高、氢气纯度高(>99.99%)和动态响应快等优点，被认为是大规模制氢的最有前途的技术之一。然而，由于固有的缓慢析氧反应(OER)动力学和催化剂在酸性介质中的耐腐蚀性较差，同时实现PEMWE优异的活性和长期稳定性仍然是一个巨大的挑战。Ir基催化剂由于其良好的活性和稳定性而被认为是酸性OER的基准催化剂，但其稀缺性和在高阳极电位(> 1.6 V)下的溶解问题极大地限制了它们的大规模实际应用。

以前的研究表明，Ir的低氧化态可以表现出增强的耐腐蚀性和固有的氧催化能力，Sn基金属氧化物即使在高度氧化和酸性环境中也具有优异的耐腐蚀性。此外，触发催化剂表面产生氧自由基作为亲电中心，易于在水中进行亲核攻击，被认为是提高催化活性的有效方法。因此，通过构建Sn基氧化物负载氧化Ir物种异质结构体系来触发氧自由基的形成并确定其构效依赖性具有重要意义。

近日，清华大学李亚栋、王定胜和浙江大学孙文平等报道了一种具有Ir-Sn对位点的异质结构催化剂(Ir-Sn PSC)，用于高效稳定催化酸性OER。实验结果和理论计算表明，Ir-Sn PSC催化性能的大幅度提高可归因于Ir-Sn双原子位形成了异质界面，提供了丰富的界面，使催化活性位大幅度增加，加速了电荷转移动力学；同时，Ir和Sn双原子位点之间强烈的电子耦合作用大大减少了Ir物种在合成和OER中形成的d带空穴，抑制了Ir的过氧化，从而使催化剂的抗腐蚀性能显著提高；此外，Ir 5d_z2-O 2p_y和Ir5d_xz-O2p_x通过π*相互作用形成氧自由基，促进了表面电子交换和转移能力，优化了氧吸附能，提高了材料耐蚀性。

电化学性能测试结果显示，在酸性条件下，Ir-Sn PSC催化剂在10和100 mA cm⁻²电流密度下的OER过电位分别为200和299 mV，在320 mV过电位下的质量活性高达2.9 A mg_Ir⁻¹，分别比Ir NPs和IrO₂高出1和2个数量级。同时，Ir-Sn PSC在30 mA cm⁻²电流密度下连续运行180小时而没有发生明显活性衰减，并且反应后材料的结构保持良好，表明其具有优异的耐酸腐蚀性。

此外，将Ir-Sn PSC和Pt/C分别作为OER和析氢反应(HER)催化剂组装的水电解槽(Ir-Sn PSC||Pt/C)表现出较低的过电位和较高的循环稳定性，在20 mA cm⁻²下运行260小时仅有0.46 mV/小时的衰减。综上，该项研究不仅提供了一种高效、长寿命的器件导向电催化剂，而且为通过操纵自由基实现阳极抗氧化提供了思路。

Ir-Sn pair-site triggers key oxygen radical intermediate for efficient acidic water oxidation. Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adi802