双铱活性位点突破酸性条件下析氧反应的活性与稳定性瓶颈

本文报道了一种突破酸性析氧反应（OER）中“活性-稳定性权衡”瓶颈的新策略。目前，质子交换膜水电解（PEMWE）是高效制氢的理想技术，但其阳极上发生的酸性OER反应动力学缓慢，且传统催化剂在强酸中极易失活。铱（Ir）基材料虽是目前唯一工业可行的酸性OER催化剂，却长期受限于活性不足、成本高昂（铱稀缺）以及活性越高越易溶解的矛盾。针对这一难题，研究人员提出“晶格限域”新方法：将铱原子精准锚定在氧化铁（α-Fe₂O₃）纳米片表面的晶格空位中，形成大面积、高密度的“铱原子薄片”。这些薄片并非单个分散的铱原子，而是由相邻的两个铱原子组成的“双活性位点”。实验证明，这种结构能触发全新的反应机制——氧化物路径机制（OPM）：两个邻近铱位点各自活化一个氧原子（*O），再直接耦合生成氧气（O₂），跳过了传统机制中能量高昂的*OOH中间体步骤。这不仅大幅降低反应能垒（理论计算显示决速步能垒比单原子机制低0.24 eV），还使催化剂在1 M高氯酸（pH=0）中稳定工作超过1600小时（近2个月），铱流失率极低（1600小时后仍保留99%以上）。其性能远超商用二氧化铱（IrO₂）：在10 mA/cm²电流密度下过电位仅198 mV（比IrO₂低97 mV），质量活性高出整整两个数量级。该研究首次系统揭示了“双金属位点”如何从反应机理（加速O─O成键）和结构设计（抑制铱溶解）两方面协同提升性能，为设计高活性、高稳定、低贵金属用量的下一代电解水催化剂提供了清晰、可推广的科学范式。