复旦大学Science：”熟化嵌入”策略开发稳定高效的OER催化剂

一、【科学背景】

随着全球应对气候变化和能源转型的压力日益加剧，绿色氢气作为一种高效、可持续的能源载体，越来越受到关注。在绿色氢气的生产过程中，质子交换膜电解水（PEMWE）技术是当前最为前沿的技术之一，其高效分解水产生氢气的能力使其在全球绿色氢能的产业化进程中占据重要地位。PEMWE依赖于析氧反应（OER）催化剂，这一催化过程的效率直接决定了整个电解水反应的能效与经济性。然而，铱及其氧化物（IrOₓ）是唯一可以在PEMWE高酸性环境下稳定工作的催化剂。作为一种贵金属，铱价格昂贵，且在地壳中储量极为有限，目前地球上已探明的铱储量仅6400吨，这对大规模部署PEMWE电解水系统构成了巨大的经济障碍。同时，铱基催化剂的催化活性和稳定性尚无法满足未来绿色氢能产业的需求。因此，开发一种低成本、高效、稳定的OER催化剂，成为全球学术界和工业界迫切需要解决的核心问题。

二、【创新成果】

基于此，复旦大学张波、徐一飞、段赛、徐昕等人在Science发表了题为“Ultrastable supported oxygen evolution electrocatalyst formed by ripening-induced embedding”的论文，报道开发了一种熟化诱导嵌入（RIE）策略，将IrO_x NP安全地包埋到CeO_x载体中。随后采用额外的超声波处理工艺，以确保载体生长和Ir成核之间的速率相匹配，从而得到一种超稳定、高效的催化剂，其特征是最佳嵌入深度为粒径的一半。对该催化剂进行长达6000小时的PEMWE工况测试结果表明，合成的嵌入式催化剂有效地防止了铱颗粒的溶解、脱落和团聚，显著提高了催化剂在长期运行中的活性和稳定性。具体来说，在绿氢制备的工业级电流密度（3 A/cm²）下，该催化剂的电池电压低至1.72 V，电压衰减率仅为1.3 μV/h，膜电极中的贵金属负载总量仅为0.4 g/cm²，全面超出美国国家能源局设计的2026年国际指标。根据实验结果估算，由此制备出来的产品寿命高达15年以上。此外，这种RIE策略已被证明在扩展到金属纳米颗粒和金属氧化物的其他组合方面是通用的，这些组合在不同反应条件下作为有效催化剂表现出更高的稳定性，从而在高弹性催化剂体系的设计中开辟了一条独特的道路。 

图1  熟化诱导嵌入式催化剂的设计思路示意图 © 2025 AAAS

图2  RIE负载型催化剂的形成过程 © 2025 AAAS

图3  负载型RIE催化剂的PEMWE性能 © 2025 AAAS

图4  RIE催化剂的可靠性和可扩展性 © 2025 AAAS

三、【科学启迪】

本研究开发一种简单而有效的RIE策略，成功地解决了负载型PEMWE-OER Ir催化剂面临的稳定性挑战。这种方法通过使载体的熟化速率与Ir的成核速率同步来防止Ir NPs的分离和聚集。这一步是通过使用超声波处理来产生具有粗糙表面的CeO_x颗粒，并通过增强较小颗粒的溶解来进一步加速其成熟来实现的。所得的RIE-Ir/CeO_x不仅满足了DOE 2026的活性和Ir负载目标，而且实现了DOE最高稳定性的最终目标，标志着PEMWE-OER催化剂开发的一个里程碑。CeO_x的相对较低的价格（每公吨1740美元）允许在未来大规模部署催化剂。此外，RIE策略可以扩展到其他催化剂体系，这为设计具有优异稳定性的下一代负载型催化剂奠定了基础。

原文详情：Ultrastable supported oxygen evolution electrocatalyst formed by ripening-induced embedding (Science 2025, 387, 791-796)

本文由大兵哥供稿。