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Advanced Energy Materials上发表了题为“Constructing Asymmetric Ir-O-Ru Unit to Promote Rapid Deprotonation and Stable Lattice Oxygen in PbIrRu Pyrochlores for Water Oxidation”的研究工作。该工作针对质子交换膜电解水（PEMWE）阳极氧析出反应（OER）贵金属铱（Ir）催化剂面临成本高昂且储量稀少的问题，聚焦兼具高导电性和耐酸特性的铅基烧绿石电催化体系，通过合成方法创新与材料设计，利用钌（Ru）掺杂策略，开发了具有Ir-O-Ru非对称活性单元的高性能铅铱钌三元烧绿石催化剂（Pb2(IrRu)2O7- ��），实现了OER催化活性与稳定性的同步提升，为PEMWE低Ir高性能电催化剂的设计与开发提出了新的见解。
该研究开发了一种工艺简单、低温快速且可规模化制备的一步水热合成法，解决了常规制备方法（溶胶-凝胶法、固相合成法）能耗高（≥1000 oC，≥8 h）、颗粒易团聚、比表面积小（≤ 20 m2 g-1）等问题，实现了温和条件下（120 oC，2-6 h）可控制备铅铱钌烧绿石催化剂Pb2(IrRu)2O7- ��，制备的催化剂具有显著优于文献报道的比表面积数值（110.7 m2 g-1）。Ru掺入后新形成的不对称Ir-O-Ru单元，打破了[IrO6]八面体单元中的桥氧对称性，促进了电荷的重新分布并诱导了富电子晶格氧的形成。原位红外表征证明了非对称Ir-O-Ru结构的形成促进了氧中间体（*OH→*O）的去质子化过程，加速了OER动力学速率。此外，同步辐射、原位差分电化学质谱表征、DFT计算结果表明，形成的不对称Ir-O-Ru结构通过强化M-O键稳定了晶格氧，有效抑制了OER电催化反应过程中晶格氧和金属的流失，提高了电化学运行稳定性。电化学测试表明，该催化剂在0.5 M H₂SO₄中表现出188 mV的低过电位（10 mA cm⁻²）和1290.2 A g⁻¹Ir+Ru的高质量活性（分别是商业IrO₂和RuO₂的16.4倍和46.7倍）。组装的PEMWE电解槽，在1.72 V电压下实现了1 A cm-2的电流密度，并在大电流密度下稳定运行300小时。这项工作为设计用于PEMWE应用的高性低铱OER催化剂提供了新思路。
材料学院硕士生黄旖烜为论文的第一作者，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和国家自然科学基金的资助。
文章信息：
Yixuan Huang, Yufeng Qin, Qingqing Ye, Jiahao Wang, Meiling Dou*, and Feng Wang*. Constructing Asymmetric Ir-O-Ru Unit to Promote Rapid Deprotonation and Stable Lattice Oxygen in PbIrRu Pyrochlores for Water Oxidation. Adv. Energy Mater. 2025, 2501860.
全文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202501860
