近日，北京化工大学王峰教授/窦美玲教授团队在国际知名期刊Small上发表了题为“High‐Performance Low‐Iridium Catalyst for Water Oxidation: Breaking Long‐Ranged Order of IrO₂ by Neodymium Doping”的研究工作。该工作采用针对质子交换膜电解水（PEMWE）阳极氧析出（OER）催化剂IrO₂存在质量活性低且易发生溶解的问题，通过在IrO₂晶格中掺杂价格低廉且具有较大半径的镧系金属钕（Nd），制备了高性能Nd掺杂IrO₂低铱催化剂（Nd-IrO₂），降低了贵金属Ir的用量。

该工作揭示了Nd掺杂对IrO₂低铱催化剂的活性和稳定性的促进机制。研究表明，大半径Nd的掺入扰动了IrO₂的结晶过程，触发应变效应，并诱导原子重排，形成了长程无序而短程有序的结构。X射线近边吸收谱结合X射线光电子能谱结果表明，Nd的掺杂调控了Ir的电子结构，形成了Nd-O-Ir键，降低了Ir的d带中心，削弱了Ir反应位点对活性氧中间体的吸附，促进了活性提升。同时，Nd掺杂增加了晶体中氧空位含量，激活了晶格氧，进而诱导催化剂以晶格氧机制（LOM）催化OER，进一步促进了活性提升。电化学测试表明，当Ir/Nd摩尔比为1时，制备的催化剂表现出最佳的电催化活性，在电流密度为10 mA cm⁻²时，过电位为263 mV，质量活性为216.98 A g_Ir^-1（1.53 V），是商用IrO₂的8倍。此外，Nd的掺杂抑制了Ir的氧化溶解，显著提升的催化剂电化学稳定性，在50 mA cm⁻²运行时间（20 h）明显优于商用IrO₂。以Nd─IrO₂为阳极组装的PEMFC电解槽，在500 mA cm⁻²时槽压约为1.7 V，在200 mA cm⁻²可稳定运行180 h且基本无衰减。本研究为PEMWE低成本OER电催化剂的设计提供了新的思路。

Nd掺杂IrO₂低铱催化剂氧析出性能及其促进机制

材料学院硕士生王一帆为论文的第一作者，王峰教授、窦美玲教授为论文的共同通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家重点研发计划的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202401964