浙江大学氢能研究院陈禹博老师在开发应用于质子交换膜水电解槽（PEMWE）的高效低铱催化剂方面取得了重要进展，相关成果发表于《Nature Communications》期刊。这一研究不仅解决了PEMWE在高电流密度下的传质与稳定性难题，还通过创新的金属氧化物分子自组装策略，构建了具有分级多孔结构的无载体电催化剂，为PEMWE技术的发展开辟了新途径。

研究背景与挑战

氢能作为一种清洁、高效的能源载体，正受到越来越多的关注。通过PEMWE可以生产高纯度氢气，但其大规模应用一直受限于高成本的铱基阳极催化剂。传统PEMWE通常使用二氧化铱（IrO₂）或非晶态铱氢氧化物（IrOₓHy）作为阳极催化剂。然而，IrO₂活性低，需要高负载量才能实现高性能；而IrOₓHy虽然活性高，但现有载体材料存在导电性和稳定性不足的问题。

创新策略与实验方法

研究团队通过一种创新的金属氧化物分子自组装策略，成功制备出了具有分级多孔结构的无载体氢氧化铱催化剂（HP-IrOₓHy）。通过酸浸法从Sr₄IrO₆前驱体中浸出Sr²⁺离子，形成高度多孔的结构。实验结果显示，颗粒的BET比表面积从0.092 m²/g增加到40.3 m²/g，增加了约400倍。这种结构不仅提高了催化剂的活性位点数量，还增强了其导电性和稳定性。

理论计算与结构分析

研究团队利用密度泛函理论（DFT）计算模拟了自组装过程中的重构机制。计算结果表明，第一个H₂O分子的损失导致共角IrO₆八面体的形成，动力学势垒较低，易于发生。进一步研究发现，IrO₆八面体间的Ir-Ir距离（IMD）对自组装过程有显著影响。当IMD≤8.0 Å时，八面体倾向于相互靠近并形成Ir-O(H)-Ir骨架；而当IMD≥8.5 Å时，吸引力较弱，不会发生自发接近行为。Sr₄IrO₆中IrO₆八面体的IMD约为6 Å，低于临界值，因此Sr²⁺的浸出促进了颗粒内多孔结构的形成。

性能测试与应用前景

在质子交换膜水电解槽（PEMWE）测试中，基于HP-IrOₓHy-BM阳极的膜电极组件（MEA）在1 A cm⁻²的电流密度下，电解槽电压低至1.54 V，显著低于商业IrO₂（1.81 V）。在高电流密度下，HP-IrOₓHy-BM阳极的MEA实现了更低的电解电压，例如在4 A cm⁻²时，电解槽电压低至1.75 V，铱负载量仅为0.375 mg cm⁻²。此外，HP-IrOₓHy-BM催化剂在波动功率输入下表现出优异的耐久性，无明显性能衰减。

本研究通过金属氧化物分子自组装策略，成功制备了具有分级多孔结构的无载体氢氧化铱催化剂，显著提高了PEMWE的性能和稳定性。这种新型催化剂有望降低PEMWE的成本，加速绿氢技术的规模化应用。目前，团队已就相关研究成果进行了PCT专利申请（PCT/SG2024/050309）。未来，研究团队将继续优化催化剂设计，进一步提升其在复杂工况下的耐久性，推动氢能技术的全面商业化。