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。提高膜电极中催化剂的本征活性和贵金属利用率是减少阳极催化层铱载量的关键途径，然而传统催化层对离聚物质子传导功能的过分依赖导致了催化剂活性位点掩盖及电子传输受阻等问题，最终形成“高铱-高离聚物-低利用率”的恶性循环。基于此，团队提出构建兼具析氧催化与质子传导双功能的层状铱基氧化物（*-HxIrOy），通过催化剂的功能集成实现了膜电极85%阳极催化层无离聚物覆盖，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"Proton-Conducting, Vacancy-Rich HxIrOy Nanosheets for the Fabrication of Low-Ionomer-Dependent Anode Catalyst Layer in PEM Water Electrolyzer"为题，于4月13日发表于Angewandte Chemie上。

图1. PEMWE阳极催化层示意图

在PEM电解槽中，阳极催化层需同时具备析氧催化、电子传导和质子传导三大功能，以保障析氧反应的高效进行。传统催化层采用IrO2纳米颗粒与离聚物混合的结构，其中IrO2形成电子导电网络并提供催化活性位点，离聚物则作为粘合剂固定催化剂并构建质子传输通道（图1a）。然而，电绝缘性的离聚物会覆盖活性位点并阻碍电子传输。这意味着，优化膜电极性能不仅需要提升催化剂本征活性，还需要改进催化层结构设计。基于此，在本研究中，邹晓新教授团队设计制备了兼具析氧催化与质子传导双功能的层状铱基氧化物*-HxIrOy，通过催化剂的双功能集成，降低了膜电极催化层对离聚物质子传导功能的依赖，实现了铱原子利用率的提升和膜电极三相界面优化（图1b）。

本研究首先采用固相合成法制备了层状铱基氧化物K0.5(Na0.2Ir0.8)O2，并以此作为前驱体，通过质子交换和机械剥离处理得到了具有本征原子缺陷的、厚度约1nm的氧化铱纳米片（图2）。研究发现，该纳米片面内丰富的缺陷结构不仅优化了边缘铱位点的活性，还激活了本征惰性的面内铱位点，显著提升了整体催化性能。

图2.*-HxIrOy的形貌与结构表征

层状铱基氧化物在质子交换过程中可以向结构中引入羟基，从而原位构建质子传输网络，这一特点赋予了材料潜在的质子传导能力。对缺陷氧化铱纳米片进行不同温度和湿度条件下的质子传导性能测试发现，其在80℃、95%湿度条件下的质子传导率接近商业Nafion膜（8.0×10-2S/cm），质子传输遵循Grotthuss机理（图3）。

图3.*-HxIrOy的质子传导性能测试

以*-HxIrOy作为阳极催化剂制备了膜电极，并进行了催化性能测试。值得一提的是，由于*-HxIrOy自身的质子传导特性，以其制备的阳极催化层只需表面覆盖离聚物充当粘合剂作用，其内部85%的催化剂可不与离聚物接触。这一独特的催化层结构避免了离聚物电绝缘性带来的活性位点覆盖和电子传导受阻问题，可实现铱原子利用率的最大化。所构筑的阳极催化层在低铱载量（0.3mgIr/cm2）、Nafion™ N115膜条件下，2V电压可达到3.8A cm⁻²电流密度，并稳定运行400小时，展现出优异的电解水性能（图4）。

图4.*-HxIrOy的PEMWE电解槽性能

吉林大学博士后王立娜、博士生杜若菲、赵梓成为共同第一作者,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.202501744