研究人员设计用于制氢的高效铱催化剂!

随着全球能源需求的持续增长，我们正在积极寻求清洁、环保的能源解决方案。在这个背景下，可运输的氢能源展现出巨大的潜力。为了实现这一目标，将多余电能转化为可运输氢能的质子交换膜水电解槽（PEMWEs）引起了广泛的兴趣。
然而，由于析氧反应（OER）速率缓慢（这是电解的重要步骤），以及电极中昂贵的金属氧化物催化剂（如铱（Ir）和氧化钌）的高负载水平，这些因素仍然限制了它们在制氢领域的大规模应用。因此，开发成本效益和高性能的OER催化剂对于推动质子交换膜水电解槽（PEMWE）的广泛应用至关重要。
鉴于此，近期由韩国光州科学技术大学的Chanho Pak教授等研究团队联合在《电源杂志》上发表题为“Electron-rich Ir nanostructure supported on mesoporous Ta2O5 for enhanced activity and stability of oxygen evolution reaction”的研究成果。
研究概述
研究通过改进的甲酸还原方法，成功开发出一种新型的介孔氧化钽（Ta2O5）负载铱纳米结构催化剂，实现了高效的质子交换膜水电解（PEMWE）过程。
图文导读
富电子铱纳米结构被均匀地分散在稳定的介孔Ta2O5载体上，通过软模板法和乙二胺包围工艺制备而成。这有效地将单个PEMWE电池中的铱含量降低至0.3 mg cm-2，”朴教授解释道。而且，创新的Ir/Ta2O5催化剂设计不仅提高了铱的利用率，还促进了更高的导电性和更大的电化学活性表面积。此外，X射线光电子和X射线吸收光谱的分析揭示了铱和钽之间的强金属载体相互作用，而密度泛函理论计算表明，电荷从钽转移到铱，从而引发了对氧和羟基等吸附物的强结合，保持了氧化OER过程中铱（III）的比率。这进一步提高了Ir/Ta2O5的活性，其过电位仅为0.385 V，而IrO2的过电位为0.48 V。
该团队还通过实验证明了催化剂的高OER活性，观察到在10 mA cm-2处的过电位仅为288 ± 3.9 mV，质量活性在1.55 V时为 876.1 ± 125.1 A g-1的铱，明显高于Ir Black的相应值。事实上，Ir/Ta2O5表现出优异的OER活性和稳定性，通过膜电极组件单电池操作已经成功持续运行了超过120小时。
该研究中所提出的技术不仅降低了铱的负载水平，还显著提高了OER效率，带来双重优势。改进的OER效率补充了PEMWE工艺的成本效益，提高了其整体性能。为PEMWE流程的成本效益提供支持，提高整体性能。这一进步可能会从根本上改变PEMWE的商业化，推动其作为制氢的主要方法更快地被采用。
参考文献
Chaekyung Baik et al, Electron-rich Ir nanostructure supported on mesoporous Ta2O5 for enhanced activity and stability of oxygen evolution reaction, 
Journal of Power Sources (2023). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2023.233174.