近日，中科院上海高等研究院杨辉研究员团队与宁波中科科创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。传统IrO₂催化剂遵循吸附演化机制（AEM），受限于线性关系制约，本征活性难以突破。晶格氧机制（LOM） 通过直接利用晶格氧参与反应，可打破能垒限制，但会引发晶格氧流失导致Ir-O键弱化。团队提出一种硫介导的IrO2催化剂（IrO2/S），使OER途径从传统的AEM切换到LOM机制，同时IrO2/S中的晶格畸变和不饱和Ir-O配位产生了氧非键态，在LOM主导的OER过程中充当电子牺牲剂来保存Ir-O键。IrO2/S在低Ir用量（0.3 mg cm-2）下展示出优异的催化活性（1.769 V, 2.0 A cm-2）与稳定性（16.6µV h-1@1.0 A cm – 2）。相关成果以“Sulfur-Doped IrO2 Enable Pathway Switch to Lattice Oxygen Mechanism with Enhanced Stability for Low Iridium PEM Water Electrolysis”为题，于6月23日发表在Advanced Materials上。
图1 IrO2/S催化剂设计策略的示意图及相关元素分析
图2 IrO2/S催化剂电化学性能及膜电极实际应用验证
图3 IrO2/S催化剂反应机理探索
图4 IrO2/S催化剂活性、稳定性相关性质理论研究
总之，我们提出的S/IrO2 OER催化剂在PEMWEs中表现出卓越的性能和稳定性，在2.0 A cm – 2时的电池电压为1.787 V，在低Ir用量下在1.0 A cm – 2下稳定工作1000 h。S的掺杂不仅可以将IrO2上的OER路径从传统的AEM切换到LOM，从而打破线性关系，提高本征活性，还可以产生保留Ir-O键顺序的ONB带，从而提高LOM通路的稳定性。总的来说，本研究为低Ir用量的OER催化剂设计提供了合理的策略，为开发符合全球脱碳目标的高性能电解技术绘制了蓝图。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202507560
