慕尼黑工大、亥姆霍兹可再生能源研究所王惠泽&Marc Ledendecker团队Angew！

导读

2025年6月10号，慕尼黑工大、亥姆霍兹可再生能源研究所王惠泽&Marc Ledendecker 团队在

Angewante Chemie

突破性“激光诱导纳米炉”技术实现超小结晶纳米颗粒的常温固态合成

第一作者：王惠泽

通讯作者：王惠泽，Marc Ledendecker

第一单位：亥姆霍兹可再生能源研究所、慕尼黑工大

DOI：10.1002/anie.202508589

研究背景

纳米尺度工程在提升电催化剂活性与稳定性方面起着关键作用，特别是在聚合物电解质膜水电解（PEMWE）中。该技术可实现高效氢气生产，但阳极析氧反应（OER）仍面临反应缓慢与缺乏稳定催化剂的双重挑战。尽管氧化钌等材料活性较高，但晶态金红石相IrO₂在酸性条件下表现出更优的稳定性。然而，传统高温合成虽然能增强晶相比例，却导致颗粒增大、比表面积下降，显著削弱催化性能。为兼顾活性与稳定性，研究者尝试了如包覆、核壳、负载等策略，但常因结构不稳定而限制长期使用。

为此，本研究提出一种激光诱导的固态合成方法，利用二氧化硅包覆的铱前驱体构建纳米反应室，激光局部加热驱动材料在常温下形成高度结晶且粒径可控的Ir和IrO ₂ 纳米颗粒。通过调节激光波长、功率与扫描速度，实现对晶粒大小与氧化态的精准调控，并借助原位质谱监测反应机理。最终，成功制备出约1 nm的金属Ir和2 nm的金红石型IrO ₂ ，并通过原位在线电化学测试系统系统评估其OER性能与溶解稳定性，验证该方法在提升电催化材料性能方面的显著潜力。

图文解析

图一直观展示了通过不同激光波长控制加热路径，从而实现对材料相结构（Ir vs IrO₂）和晶粒尺寸的调控。CO₂激光适用于还原成金属铱，光纤激光则促进氧化铱的结晶化。这一策略为实现常温下可控、固态合成超小铱基纳米颗粒提供了技术基础。

图1：基于激光诱导纳米反应器的创新合成策略示意图

研究通过调控激光参数和前驱体类型，实现了对铱基纳米颗粒结构的精准合成与筛选。使用CO₂激光易因能量过高导致铱还原为金属，难以形成纯IrO₂。为此，研究者对前驱体进行300°C预热，并改用光纤激光（1060 nm），成功实现了100%晶态金红石相IrO₂的合成。光纤激光因SiO₂对其透明，可实现温和加热，避免颗粒团聚。同时，预热前驱体有助于减小晶粒并提升结晶度。该策略实现了在常温下对IrO₂粒径和结构的有效调控，为稳定高活性催化剂的快速合成提供了新方法。

图2基于XRD分析的晶态纳米颗粒催化剂筛选与表征

研究利用原位质谱技术实时监测激光照射下的气体释放行为，揭示了不同激光条件下铱前驱体的反应机制。CO₂激光（10600nm）处理IrO(OH)ₓ时释放大量H₂和含氧气体，表明材料发生自发还原反应，最终转化为金属Ir；而经过300°C预热的前驱体气体释放显著减少，显示出更高的热稳定性。相比之下，光纤激光（1060nm）加热过程温和，仅产生少量气体，有利于非晶IrOx向晶态IrO₂的结构转变。结合XRD结果，研究确认CO₂激光诱导还原，而光纤激光则驱动结晶转化，两者代表不同的激光调控反应机制。

图 3：基于原位质谱的激光反应过程实时监测

通过 XRD、HAADF-STEM 和 XPS 表征，系统揭示了激光合成的 Lis-Ir 和 Lis-IrO₂ 的晶体结构、纳米形貌和化学状态，证实分别为超小粒径的金属铱和晶态金红石型氧化铱。

图 4：超小晶态 Ir 与 IrO₂ 纳米颗粒的结构表征

研究人员系统评估了激光合成的 Lis-Ir 和 Lis-IrO₂ 的酸性析氧反应（OER）性能及稳定性。Lis-IrO₂ 显示出极高的质量活性（350 ± 15 A gIr⁻¹ at 1.53V_RHE），显著优于所有商业和文献报道的晶态 IrO₂ 催化剂，且超过高温合成的小尺寸IrO₂材料。Tafel斜率分析、电荷转移阻抗和比表面积测定进一步表明其具有优异的反应动力学与界面特性。结构稳定性方面，24小时恒电位测试及TEM表明 Lis-IrO₂ 保持了良好的金红石相结构，而 Lis-Ir 出现了明显团聚现象。进一步通过在线流通电池-ICP-MS 实时监测催化剂溶解行为，发现 Lis-IrO₂ 的溶解度远低于商业 RuO₂ 和其他 IrO₂ 材料，并具有最高的稳定性指标 S-number，在保持高活性的同时展现出优异的耐久性。

图 5：激光合成的 Ir 与 IrO₂ 催化剂的析氧反应（OER）性能

图 6：CFC-ICP-MS 溶解测试评估激光合成 Ir 和 IrO₂ 催化剂的稳定性

总结与展望

本研究提出了一种基于高能激光的固态合成方法，可在常温下高效制备超小晶态金属及氧化物纳米颗粒，具备精确的尺寸与结构调控能力。通过光纤激光实现了对金红石相 ~2 nm IrO₂ 的结晶调控，所得材料在酸性 OER 中表现出优异的活性与稳定性，超越已报道的晶态 IrO₂ 与 RuO₂ 催化剂。同时，利用 CO₂ 激光还可低能耗合成 ~1 nm 金属铱颗粒。该方法兼具能效高、结构可控和性能优异等优势，为开发低成本、耐腐蚀、高效的酸性 OER 催化剂提供了新思路，并具备广泛拓展至多金属及其氧化物电催化材料的潜力。

团队介绍：https://sem.cs.tum.de/en/

文献详情：

Laser-Induced Nanoscale Engineering of Iridium-Based Nanoparticles for High-Performance Oxygen Evolution

Huize Wang, Philipp Pfeifer, Wenwei Lai, Andreas Göpfert, Sumin Lim, Wei Zhao, A. Lucía Morales, Mattis Goßler, Marko Malinovic, Pallabi Bhuyan, Walter A. Parada, Pavlo Nikolaienko, Karl J. J. Mayrhofer, Guilherme V. Fortunato, Andreas Hutzler, Marc Ledendecker,

Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202508589.

https://doi.org/10.1002/anie.202508589

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