江苏
论文信息
第一作者：王双，史言
通讯作者：王得丽
通讯单位：华中科技大学
导语
质子交换膜水电解（PEMWE）是耦合波动性可再生能源制备绿氢的核心技术，但阳极酸性析氧反应(OER)苛刻工况下铱的溶解流失、高铱负载，严重限制其大规模商业化应用。
今日，华中科技大学王得丽教授团队设计出合成高长程有序度Ir₃V金属间化合物oH-Ir₃V，依靠高密度强异质原子键构筑Ir原子网格结构，从原子层面抑制Ir活性位点氧化溶出。理论计算证实长程周期性原子排布优化 d带中心，降低OER决速步能垒，同时显著提升Ir、V脱金属化能垒。组装MEA 单电池，超低铱负载0.11 mgIr cm⁻²条件下，3.0 A cm⁻²电流密度电池电压仅1.844 V；在 1.0-2.0 A cm⁻²动态变电流工况下稳定运行超过2500 h，衰减速率仅5.8 μV h⁻¹。技术经济核算制氢成本低至0.978美元/kg H₂，优于美国DOE 2030年目标。相关成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI：10.1002/anie.2858393）。
图文解析
图 1 DFT 理论计算预测o - Ir ₃ V催化行为 （ 图片来源： Angew. Chem. Int. Ed. ）
分别 构建 了 纯Ir、无序合金（d-Ir3V）、长程有序金属间化合物（o-Ir3V）模型 。 OER决速步为*O向*OOH中间体转化 ， 有序o-Ir3V决速步能垒显著降低 ， d带中心向费米能级上移，增强含氧中间体吸附，提升本征催化活性。脱金属化能计算结果显示o-Ir ₃ V、的Ir溶出能垒1.43 eV远高于无序合金与纯Ir，说明长程周期性原子排布可以牢牢“锁定”Ir、V 原子，抑制二者浸出。COHP 计算证明o-Ir3V拥有更强Ir-Ir键，有序Ir原子网格构建稳定催化界面，保障酸性工况下结构完整性。
图 2 结构表征与电化学性能（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
通过退火调控退火时间，得到不同长程有序度的Ir₃V，低有序oL-Ir₃V (LRO=53%)、高有序oH-Ir₃V (LRO=85%)。XRD 观察金属间超晶格衍射峰；HAADF-STEM直观观测到有序超晶格晶格条纹。经过CV电化学活化后，高有序oHIr3V可以保留更多金属态Ir特征信号，说明Ir原子网格抑制过度氧化。oH-Ir₃V 在10 mA cm⁻²过电位η10仅267 mV，Tafel斜率38.9 mV dec⁻¹，动力学最优。加速衰减ADT循环测试表明随着长程有序度提升，活性衰减被显著抑制；oH-Ir₃V经过20000次循环活性几乎不衰减；此外，颗粒尺寸统计也证明高异质键密度有效抑制颗粒团聚长大。
图 3 稳定性机制解析（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
ADT测试后XPS分析，oH-Ir3V 催化剂Ir3+/4+与Ir⁰的比值涨幅最小，氧空位/晶格氧比值变化极小，证明有序骨架抑制氧化、抑制晶格氧流失。¹⁸O同位素标记DEMS测试显示，随着原子有序度提升，晶格氧参与OER程度显著下降，反应路径由LOM晶格氧机制逐步转向AEM吸附演化机制，减少晶格氧消耗带来的结构瓦解。原位Raman结果，Ir/C在高电位下Ir-O振动信号快速衰减，对应生成可溶性高铱物种发生溶解；而oH-Ir₃V的Ir-O-V振动信号持续稳定，说明有序内核与重构氧化壳层之间强电子相互作用，抵御高电位过氧化溶解。文章总结两条溶解路径，低电位直接溶出Ir³⁺；高电位过氧化溶解；高密度异质键的Ir原子网格同时抑制两条腐蚀通道。
图 4 PEMWE 单电池实际电解性能（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
组装MEA，阳极oH-Ir₃V铱负载仅0.11 mg cm⁻²，2.0 A cm⁻²@1.754 V，3.0 A cm⁻²@1.844 V，超越美国DOE 2025目标。在 1.0 A cm⁻² 与 2.0 A cm⁻² 动态切换条件下连续运行超过 2500 h，电压衰减仅5.8 μV h⁻¹。法拉第效率接近100%。技术经济评估得到制氢成本0.978 美元 /kg H₂，低于 DOE 2030 年1美元 /kg H₂目标，证实该催化剂具备工业落地潜力。
该工作得到了国家自然科学基金（22279036）、中央高校基本科研业务费专项基金（2025BRA003）、新能源化学与器件引智基地项目（B21003））的支持。
作者简介
王得丽教授，博导，2013年初入职华中科技大学，任化学与化工学院教授。2008年7月博士毕业于武汉大学，博士毕业后先后在新加坡南洋理工大学燃料电池研究中心和在美国康奈尔大学能源材料研究中心做博士后研究工作。多年来一直从事燃料电池电极催化剂以及锂电池电极材料的设计以及性能优化方面的研究。在Nat. Mater., Nat. Commun., JACS, Angew. Chem. 等国内外知名学术期刊上发表论文200余篇，获得美国授权发明专利2项，中国发明专利18项。曾担任J. Chem. Phys.副主编，《电化学》、《储能科学与技术》、Chin. Chem. Lett.、Nano Mater. Sci.、Energy & Fuels、J. Phys. Energy编委。
课题组隶属于华中科技大学能量转换与存储材料化学教育部重点实验室。
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