北京大学郭少军教授团队Nat. Commun.：Ir-O-Mn嵌入多孔纳米片提升低铱负载PEM电解槽中的电荷转移

2025年1月2日，北京大学郭少军教授团队在Nature Communications上发表最新成果，“Ir-O-Mn embedded in porous nanosheets enhances charge transfer in low-iridium PEM electrolyzers” 下面，对这篇成果进行简要的介绍！

成果展示

1.Ir/MnOx助力PEMWE实现优异性能！

在质子交换膜水电解槽（PEMWE）阳极层中采用金属氧化物分散铱（Ir），可有效降低Ir的负载量。然而，目前报道的低Ir基催化剂在实际工业条件下的电解效率和耐久性仍不理想，主要原因是催化剂层的催化活性和质量传输不足。基于此，北京大学郭少军教授和吕帆博士等人报道了一种原位还原和相分离的方法来合成Ir/MnOx催化剂，该方法将Ir纳米团簇嵌入二维（2D）多孔MnOx基质中。通过原位X射线吸收精细结构（XAFS）和表面增强拉曼光谱（SERS）证实，在重构的IrOx/MnOx界面附近存在丰富的Ir-O-Mn键，可为活性Ir3+的生成和稳定提供有效的电荷转移通道。

由于具有最佳的d波段结构，IrOx/MnOx具有相当的OER活性和稳定性，在过电位为300 mV时，其质量活性为4 A mgIr−1，比IrO2高150.6倍，S-数为6.8×105。值得注意的是，使用Ir/MnOx作为阳极催化剂层的PEMWE器件具有0.2 mgIr cm-2的低负载量，具有6.69 A mgIr-1@1.7 V的高质量活性，在1 A cm-2的电流密度下稳定运行300 h，S-数高达1.48×108。PEMWE具有优异的性能不仅归功于丰富而持久的Ir3+物种，还源于多孔和超薄的2D纳米片结构所增强的传质和优化的界面接触。这种协同作用强调了材料在严格工作条件下的巨大潜力，正如在加速应力测试（ASTs）中相对较低的衰减率（在2 A cm-2下每1000次衰减1.24 mV）所证明的那样。

图文解读

以铱-锰双金属氧化物（Ir-Mn BO）纳米片为前驱体，作者采用原位还原相分离法制备了富异界面Ir/MnOx催化剂。透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）图像表明，纳米片具有空间交联形态，超薄厚度仅为1.0 nm。在H2/Ar气氛下的退火过程中，Ir-Mn BO晶格内均匀分布的高价（近+4）Ir离子经历了充分的还原，在表面附近产生了Ir原子。在氧空位自发形成的驱动下，形成的Ir原子普遍向外扩散并聚集成Ir纳米团簇，从而在金属和氧化物基体之间形成丰富的异质界面。

作者采用Ir/MnOx作为OER的阳极催化剂，Pt/C作为HER的阴极催化剂，构建了膜电极组件（MEA），以评估其在实际PEMWE器件中的行为。即使1/10的Ir负载量，Ir/MnOx表现出更好的性能，其电池电压需要提供1 A cm-2的工业电流密度，电压低至1.63 V，进一步超过其商业对手（IrO2为2 mgIr cm-2和0.2 mgIr cm-2，分别为IrO2-2和IrO2-0.2）。在1.5 V至1.8 V范围内，Ir/MnOx表现出比IrO2-0.2和IrO2-2高得多的质量活性，在理想的低Ir负载量的实际器件中表现出良好的OER行为，使得其成为其他报道的PEMWEs OER催化剂中最杰出的候选者。

对比IrO2-0.2，Ir/MnOx在2 A cm-2时的动力学过电位大幅降低了约14.5%，表明Ir/MnOx的OER动力学显著增强。更重要的是，与IrO2-0.2相比，Ir/MnOx在质量传输过电位方面表现出明显的优势，特别是在高电流密度下，在电流密度为2 A cm-2时仅增加47.2 mv，比IrO2-0.2低73.0%。Ir负载量为0.2 mg cm-2时，基于Ir/MnOx的PEMWE在1 A cm-2下稳定性超过300 h，对比IrO2-0.2在仅仅50 h的操作后就会快速衰减。在300 h的运行周期内，Ir/MnOx的平均能耗很低，为43.75 kWh kg-1 H2。在300 h的浸出过程中，Ir和Mn的损失率分别为1.81%和0.42%，Ir/MnOx S-数高达1.48×108。结果表明，Ir/MnOx基PEMWE在低Ir负载量（0.1 mgIr cm-2）下仍具有优异的耐久性，衰变率极低（在2 A cm-2下每1000次循环增加1.275 mV），远远优于商用IrO2在2 mgIr cm-2负载量下（每1000次循环增加1.365 mV）的性能。

文章信息

Ir-O-Mn embedded in porous nanosheets enhances charge transfer in low-iridium PEM electrolyzers. Nat. Commun., 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-