近日，吉林大学化学学院邹晓新教授团队在质子交换膜水电解槽（PEMWE）阳极铱基催化剂研发领域取得重要进展。降低铱堆积密度是减少阳极催化层铱载量的关键途径，然而通常面临结构稳定性低、电子/物质传输效率受限等问题。团队提出空心氧化铱纳米球（dh-IrOx）制备阳极催化层，将阳极铱堆积密度降低至传统IrO2纳米颗粒的20%，并在低铱载量下展现出优异的催化活性和耐久性。相关成果以"Highly Efficient and Durable Anode Catalyst Layer Constructed with Deformable Hollow IrOxNanospheres in Low-iridium PEM Water Electrolyzer"为题，于3月12日发表于Angewandte Chemie上。
图1.PEMWE阳极催化剂层示意图
目前商用PEMWE析氧催化剂是以金红石相氧化铱纳米颗粒为代表的催化剂，膜电极铱载量通常高达2-4 mgIr/cm2（图1a）。当铱负载量较低时，阳极催化剂层因过度减薄丧失结构连续性和完整性，电子传输路径的中断会引发"孤岛效应"——即形成电化学惰性的IrO₂纳米聚集体，导致严重的稳定性问题（图1b）。基于此，在本研究中，邹晓新教授团队设计制备了空心氧化铱纳米球，克服了传统IrO2纳米颗粒催化剂低铱化面临的挑战（图1c）。本研究利用硬模板法，以SiO₂纳米球为精确模板，通过均匀包覆Ir(OH)₃构筑均一致密的铱壳层结构，实现了几十克级dh-IrOx批量制备，其腔体尺寸和壳层厚度均可调控。
图2.dh-IrOx的结构表征
通过改变SiO2模板尺寸和反应体系中铱前驱体的浓度，合成了22个具有可调壳厚（2-20 nm）和空腔尺寸（140-485 nm）的dh-IrOx空心结构库（图2）。通过优化空腔尺寸和壳层厚度，dh-IrOx展现出优异的结构稳定性，能够承受膜电极制备过程中的高剪切搅拌（10,000 rpm）、超声处理（>20 kHz）和热压（130 ℃，10 MPa）等苛刻条件。利用dh-IrOx制备了低铱堆积密度（1.1 gIrcm⁻³）的阳极催化层，比传统IrO2纳米颗粒制备的阳极催化层铱堆积密度（5gIrcm⁻³）降低了80%。
低铱载量的dh-IrOx催化层结构既能最大化电化学活性表面积，又能有效抑制颗粒迁移与团聚，同时形成贯通的电子传输网络与物质传输通道。所构筑的阳极催化层在低铱载量（0.3-0.5mgIr/cm2）、Nafion™ N115膜条件下，3.3 A cm⁻²电流密度仅需1.9 V，展现出极高的电解水性能（图3）。同时，在3000小时的长期运行后，电压衰减小于1.5%，稳定性比传统IrO₂纳米颗粒提高至少20倍。
图3.dh-IrOx的PEMWE电解槽性能
吉林大学博士生孙轲、博士后梁宵为共同第一作者,邹晓新教授与陈辉副教授为通讯作者。合作团队在吉林大学的研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、吉林省科技发展计划和中央高校基本科研业务费等基金的支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202504531
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