質子交換膜水電解槽(PEMWE)具有電流密度高、氫氣純度高(>99.99%)和動態(tài)響應快等優(yōu)點，被認為是大規(guī)模制氫的最有前途的技術之一。然而，由于固有的緩慢析氧反應(OER)動力學和催化劑在酸性介質中的耐腐蝕性較差，同時實現PEMWE優(yōu)異的活性和長期穩(wěn)定性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。Ir基催化劑由于其良好的活性和穩(wěn)定性而被認為是酸性OER的基準催化劑，但其稀缺性和在高陽極電位(> 1.6 V)下的溶解問題極大地限制了它們的大規(guī)模實際應用。

以前的研究表明，Ir的低氧化態(tài)可以表現出增強的耐腐蝕性和固有的氧催化能力，Sn基金屬氧化物即使在高度氧化和酸性環(huán)境中也具有優(yōu)異的耐腐蝕性。此外，觸發(fā)催化劑表面產生氧自由基作為親電中心，易于在水中進行親核攻擊，被認為是提高催化活性的有效方法。因此，通過構建Sn基氧化物負載氧化Ir物種異質結構體系來觸發(fā)氧自由基的形成并確定其構效依賴性具有重要意義。

近日，清華大學李亞棟、王定勝和浙江大學孫文平等報道了一種具有Ir-Sn對位點的異質結構催化劑(Ir-Sn PSC)，用于高效穩(wěn)定催化酸性OER。實驗結果和理論計算表明，Ir-Sn PSC催化性能的大幅度提高可歸因于Ir-Sn雙原子位形成了異質界面，提供了豐富的界面，使催化活性位大幅度增加，加速了電荷轉移動力學；同時，Ir和Sn雙原子位點之間強烈的電子耦合作用大大減少了Ir物種在合成和OER中形成的d帶空穴，抑制了Ir的過氧化，從而使催化劑的抗腐蝕性能顯著提高；此外，Ir 5d_z2-O 2p_y和Ir5d_xz-O2p_x通過π*相互作用形成氧自由基，促進了表面電子交換和轉移能力，優(yōu)化了氧吸附能，提高了材料耐蝕性。

電化學性能測試結果顯示，在酸性條件下，Ir-Sn PSC催化劑在10和100 mA cm^?2電流密度下的OER過電位分別為200和299 mV，在320 mV過電位下的質量活性高達2.9 A mg_Ir^?1，分別比Ir NPs和IrO₂高出1和2個數量級。同時，Ir-Sn PSC在30 mA cm^?2電流密度下連續(xù)運行180小時而沒有發(fā)生明顯活性衰減，并且反應后材料的結構保持良好，表明其具有優(yōu)異的耐酸腐蝕性。

此外，將Ir-Sn PSC和Pt/C分別作為OER和析氫反應(HER)催化劑組裝的水電解槽(Ir-Sn PSC||Pt/C)表現出較低的過電位和較高的循環(huán)穩(wěn)定性，在20 mA cm^?2下運行260小時僅有0.46 mV/小時的衰減。綜上，該項研究不僅提供了一種高效、長壽命的器件導向電催化劑，而且為通過操縱自由基實現陽極抗氧化提供了思路。

Ir-Sn pair-site triggers key oxygen radical intermediate for efficient acidic water oxidation. Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adi802