摘要：铱（Ir）是质子交换膜水电解槽（PEMWEs）析氧反应（OER）中最活跃、最耐用的阳极催化剂。然而，它们的大规模应用受到高成本和Ir稀缺性的阻碍。将Ir负载降低到1.0 mgcm−2以下会导致PEMWE性能和耐久性显著降低。因此，开发高效的低铁基催化剂是实现P
铱（Ir）是质子交换膜水电解槽（PEMWEs）析氧反应（OER）中最活跃、最耐用的阳极催化剂。然而，它们的大规模应用受到高成本和Ir稀缺性的阻碍。将Ir负载降低到1.0 mgcm−2以下会导致PEMWE性能和耐久性显著降低。因此，开发高效的低铁基催化剂是实现PEMWEs广泛商业化的关键。本文提出了一种通过化学脱合金化IrCu合金来设计多孔Ir金属气凝胶催化剂的方法。与传统Ir黑色催化剂相比，Ir MA催化剂独特的层次化孔隙结构和多通道结构显著增加了电化学表面积（ECSA），提高了OER活性，为设计具有提高Ir利用率和增强稳定性的低Ir催化剂提供了有效的解决方案。优化后的膜电极组件（MEA）的Ir负载为0.5 mgIr cm - 2，在1.79 V下产生2.0 A cm - 2，高于负载为2.0 mgIr cm - 2 （1.63 A cm - 2）时的Ir黑。在0.5 （>1200 h）和2.0 A cm - 2 （400 h）的耐久性测试中，低Ir MEA显示出可接受的衰减率约为≈40 μ V h - 1，优于商用Ir-based MEA （175 μ V h - 1, 2.0 mIr cm - 2）。
用化学脱合金法合成高多孔金属气凝胶Ir催化剂的示意图。
a,b) TEM图像，c) HAADF-STEM图像，d,e)原子分辨率HAADF-STEM图像，f)最佳Ir-3 MA催化剂的STEM-EDS元素映射。
a)商用Ir黑和Ir-3 MA催化剂的XRD谱图。b, c) Ir black和Ir-x MA催化剂的高分辨率Ir 4f XPS光谱。d)用XPS测定了Ir black和Ir-x MA催化剂的Ir(0)与Ir（III）的比值。
Ir black和Ir-3 MA催化剂在0.1 M HClO4电解质中的电化学特性比较：a) CV曲线，b)不同扫描速率下得到的电荷，c)计算的QT和Qo/QT， d) OER的LSV曲线，e) OER的Tafel斜率，f) OER在1.53 V vs RHE下的质量活度。g) OER活性对SHE标度的pH依赖性。h) Ir-3 MA催化剂在100 MA cm−2条件下的短期稳定性测试，使用半电池在酸性电解质中进行。图h是计算得到的Ir-black和Ir-3 MA催化剂的s值。
a)本实验水电解槽方案。b)未经Ir校正的商用Ir黑色和Ir-3 MA基MEA的PEMWE极化曲线。c)比较OER质量活动的商业Ir黑,Ir-3坎布里奇的量在1.5和1.7 V d, e)电阻过电压(ηΩ),动态过电压(ηkin),和运输过电压(ηmt) Ir-3 MA(d)和Ir黑(e)。f)比较ηΩ,ηkin,ηmt，Ir-3 MA和Ir black-based量在2.0 A cm−2. g)的长期耐久性试验的商业Ir黑,Ir-3 MA基MEA在0.5和2 A cm−2。h)不同时间Ir-3 MA基MEA耐久性试验时的PEMWE极化曲线。
a) Ir-3 MA在BOL和EOL处的高分辨率Ir- 4f XPS光谱。b) Ir-3 MA催化剂在MEA制造和测试过程中不同阶段Ir(0)、Ir（III）和Ir（IV）的比较。c) Ir-3 MA和Ir black在BOL处的XANES。d) Ir-3 MA和Ir黑色催化剂的FT-EXAFS为k2-重量。以Ir箔和IrO2作为参考。e) XANES和f) ir - 3ma催化剂在BOL和EOL处的k2-重量FT-EXAFS。在MEA中进行1180小时耐久性测试后，Ir-3 MA催化剂的TEM图像g)， HAADF-STEM图像h)和STEM-EDS元素映射i)。
综上所述，我们开发了多孔Ir金属气凝胶作为实用的PEMWEs的高效耐用的OER催化剂。与商业Ir黑相比，最佳Ir-3 MA催化剂具有丰富的缺陷和多孔结构，具有分层孔径分布和多通道，这对于最大化OER的ECSA至关重要。特别是，Ir-3 MA催化剂在酸性电解质的RDE和半电池测试中表现出显著的OER活性和稳定性，在10 MA cm - 2下过电位降低到270 mV，质量活性比Ir黑色提高了4倍。当进一步将Ir-3 MA催化剂作为阳极加入到低Ir负载0.5 mgIr cm - 2的MEA中时，在1.79 V下获得了令人兴奋的2.0 A cm - 2电流密度，即使在4倍Ir负载2.0 mgIr cm - 2的情况下，也比Ir黑基MEA低77 mV。基于Ir-3 MA的MEA在0.5 A cm - 2和2.0 A cm - 2下表现出令人信服的长期耐久性，分别超过1100 h和400 h，对应于≈40µV h - 1的低降解率。广泛的XPS和XAS表征表明，独特的形貌和多孔结构有助于Ir-3 MA催化剂中金属Ir快速转化为氧化IrOx，这可能是与Ir黑相比活性和稳定性增强的原因。因此，进一步设计基于Ir的催化剂的纳米结构和形态是可行的，可以为可行的PEMWEs设计低Ir阳极，从而显著降低成本，提高性能和长期耐用性。
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来源：水氢电
