文章信息
镧掺杂辅助锚定铱单原子：实现低铱载量高稳定性PEM电解水制氧第一作者：卫卓明通讯作者：丁云轩*，张彪彪*单位：西湖大学
研究背景
质子交换膜电解水(PEM-WE)技术因其快速响应、高电流密度和紧凑结构，被视为绿色制氢的重要路径。然而，该技术严重依赖铱基催化剂驱动阳极析氧反应(OER)。铱的地壳丰度极低(约0.001 ppb)、年产量仅约7吨，当前PEM电解槽铱用量高达1.0–3.0 mg/cm²，成本高昂且供应链脆弱，严重制约PEM技术的大规模部署。开发在低铱载量下仍兼具高活性与高稳定性的OER催化剂，成为推动PEM制氢发展的关键挑战。近年来，研究者致力于开发低铱催化剂，其中单原子催化剂(SACs)通过最大化原子利用率展现出巨大潜力。然而，传统方法制备的SACs通常仅将铱物种负载于载体表面。这些孤立的原子级物种因其较高的表面能，在强酸性、高电位的苛刻反应环境下极易发生迁移和团聚，导致活性位点损失和性能快速衰减。这一根本性矛盾使得大多数报道的低铱催化剂难以在维持高活性的同时，满足工业级电流密度(>1 A cm⁻2)下的长期稳定性要求。
图1：表面吸附的单原子(易团聚)与晶格锚定的单原子(更稳定)的热力学稳定性差异示意图
文章简介
近日，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心张彪彪团队提出了一种创新的“镧掺杂诱导晶格锚定”策略，成功将铱原子稳定嵌入Co3O4晶格内部，显著提升了催化剂的催化效率与耐久性。该研究成果发表于《Nature Communications》，在仅使用0.2 mgIr/cm2(商用水平的10%)的条件下，实现了工业级电流密度(1 A/cm2)下的高效稳定运行超过1000小时，为降低绿氢生产成本提供了关键技术突破。
图2：催化剂结构表征与元素分布，并结合DFT计算揭示了镧辅助铱离子交换的热力学优势
本文要点
要点一：创新性晶格锚定策略，从根本上抑制铱原子团聚
团队通过在Co3O4中预先掺杂La³⁺引起晶格畸变，较大离子半径La³⁺的掺杂具有表面偏析效应，形成有利于Ir³⁺嵌入的结构位点。理论计算表明，Ir3⁺取代La³⁺为自发放热过程，形成能低至–280 meV/atom，远优于直接取代Co³⁺的吸热过程(最高117 meV/atom)。该策略使铱原子被“锁定”在晶格内部，彻底解决了传统负载型单原子催化剂因高表面能而发生迁移团聚的问题。
要点二：多尺度结构表征确认原子级分散与稳定嵌入
图3：催化剂同步辐射与XPS图谱
球差电镜(HAADF-STEM)图像中可清晰观察到Ir原子以孤立亮斑形式均匀分布于Co3O4晶格中，并延续晶格周期排列。同步辐射XAFS和XPS分析进一步表明，晶格锚定的Ir具有更高配位数和氧化态，结构更稳定、电子环境更优。XPS深度剖析显示，LaIr-Co3O4中Ir信号在体相中分布均匀，而Ir-Co3O4中Ir富集于表面，证实了晶格锚定与表面吸附的本质差异。
要点三：卓越的电催化性能与稳定性
图4：LaIr-Co3O4，Ir-Co3O4和商业氧化铱催化剂的电化学性能对比
在0.5 M H2SO4电解液中，LaIr-Co3O4仅需236 mV过电位即可达到10 mA/cm2电流密度，质量活性为商用IrO2的57倍。Tafel斜率低至70 mV/dec，表明反应动力学显著提升。稳定性数值(S-number)计算表明，LaIr-Co3O4的Ir溶出率远低于对比样品。
要点四：机理研究揭示高效氧化物路径(OPM)主导反应
图5：利用电化学原位红外光谱与同位素标记电化学差分质谱进行机理研究
结合原位红外光谱与同位素标记质谱分析，研究团队发现晶格锚定的Ir与邻近Co位点形成协同活性中心，触发高效的O–O直接耦合机制(OPM)。DEMS实验检测到显著的36O2信号，证实了表面吸附氧自由基的直接耦合。DFT计算表明，该路径能垒低至0.40 eV，显著优于传统吸附析氧机制(AEM)和晶格氧机制(LOM)，有效避免晶格氧流失并提升反应效率。
图6：三种反应路径催化循环与对应吉布斯自由能以及催化剂态密度对比图
要点五：工业级PEM电解槽验证与应用前景
图7：质子交换膜电解槽结构拆解图和性能及稳定性数据
在25 cm²膜电极组装(MEA)电解槽中，LaIr-Co3O4在0.2 mgIr/cm2载量下于80°C达到1.61 V@1 A/cm2，Ir质量比功率低至5 mgIr/kW。估算表明，一个10 GW的PEM制氢工厂的Ir需求可从目前的7.5吨降低至0.05吨，仅占全球年产量的0.7%，极大降低了材料成本与供应链风险。经500小时@500 mA/cm²运行后，催化剂保持结构完整，Ir原子未见团聚或显著溶出。
文章链接
Lanthanum-assisted lattice anchoring of iridium in Co₃O₄ for efficient oxygen evolution reaction in low-iridium water electrolysishttps://www.nature.com/articles/s41467-025-63577-x
通讯作者简介
张彪彪教授简介：2009年本科毕业于曲阜师范大学，2015年在大连理工大学获得工学博士学位，2015-2020年在瑞典皇家理工学院化学系从事博士后研究。研究领域涉及配位化学，催化化学，材料表界面与新能源的交叉学科。2020年5月入职西湖大学理学院，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心，组建分子催化与分子材料实验室，任特聘研究员(独立PI / 博士生导师)。学术兼职浙江省化工学会化工新能源专业委员会副主任委员、中国感光学会会员。研究方向为方向主要包括：水氧化催化剂及电解水技术开发;氨氧化催化剂开发及机理揭示;电催化CO2还原制液态燃料;人工光合作用器件设计与组装等。近年来在国际知名学术期刊发表论文60余篇，其中第一作者和通讯作者论文30余篇，包括JACS、Angew.、Chem. Soc. Rev.、Joule、JACS Au、ACS Catal.、J. Energy Chem.等。
丁云轩助理研究员简介：2020年获得英国贝尔法斯特女王大学博士学位，师从胡培君教授。2020年-2022年，在西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心从事博士后研究，合作导师孙立成院士。目前在西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成实验室担任助理研究员。研究方向主要包括：太阳能燃料体系的理论机理研究;光伏材料物理性质的动态模拟等。近年来以第一(共同)和通讯作者在国际知名学术期刊发表论文20余篇，包括Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、CCS Chem.等。
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