新闻网讯（通讯员 宋云泽）8月5日，《科学·进展》（Science Advances）在线刊发材料学院李箐教授团队的研究成果：电荷重新分布引发氧溢流机制的非晶氧化钒负载的铱锡合金催化剂适用于工业级电解水“Triggering charge redistribution–induced oxygen spillover mechanism in VO_x-supported IrSn alloy toward industrial water electrolysis”。材料学院2022级博士生林子杰为论文第一作者，李箐为论文通讯作者。材料学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为第一完成单位及第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划等项目的支持。

质子交换膜电解水器件（PEMWE）凭借其高电流密度、高氢气纯度及快速响应等优势，在绿氢制备领域备受关注。然而，阳极氧析出反应（OER）迟缓的动力学与苛刻的酸性氧化环境严重制约了其整体效率与长期稳定性。目前，铱基催化剂（尤其是IrO₂）是唯一在工业级电流密度（≥ 1 A cm^-2）下具备一定稳定性的商用阳极材料，但铱资源极度稀缺、价格高昂（约$138,000 kg⁻¹），且在高电位下易发生过氧化和溶解，导致活性与稳定性之间的固有矛盾。因此，如何在低铱载量下同时提升OER活性与稳定性，成为PEMWE技术走向大规模工业应用的核心挑战。

基于上述挑战，团队设计了一种负载于非晶VO_x上2nm大小的IrSn合金催化剂（IrSn-VO_x），通过电荷再分配诱导的氧溢流机制，显著提升了酸性OER的活性与稳定性。该催化剂在0.5 M H₂SO₄中仅需207 mV过电位即可达到10 mA cm^-2，并在1000小时内保持稳定。

图1. IrSn-VO_x的合成示意、原子级STEM像、XRD与XPS/XANES电子结构

该团队进一步测试了在PEMWE单电池中优异的活性与稳定性，IrSn-VOₓ阳极（总载量0.4 mgIr+Pt cm^-2）于1.798 V下实现3.0 A cm^-2，超越美国能源部（DOE）2026年目标；25 cm²大面积膜电极在工业电流（≥ 25 A）下稳定运行5000小时，降解率仅5.6 μV h⁻¹。

图2 PEMWE单电池示意、极化曲线、5 cm²与25 cm² MEA长期稳定性

该团队进一步通过理论计算与同位素标记实验表明，Sn掺杂与VO_x载体协同诱导电荷在IrSn合金与VO_x界面重新分布，将*O从Ir向VO_x溢流的动力学能垒相较于O-O耦合降低69%，触发载体参与的LOM路径，使决速步能垒从IrSn的0.66 eV（AEM）降至0.37 eV。同时，Sn的电子供给效应和VOₓ晶格氧的再生机制有效维持了Ir的平均价态（约+2.5），抑制了过氧化和溶解，实现了活性与稳定性的同步突破。

该团队为氧化物负载型铱合金催化剂制备，以及低贵金属载量、高活性与稳定性的PEM电解水器件的设计提供了可行的新思路。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef7481

编辑：张雯怡

来稿审核：孙伟

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