隨著質(zhì)子交換膜電解池（PEMWEs）的發(fā)展，在酸性條件下水解制氫被認(rèn)為是高效轉(zhuǎn)化可持續(xù)氫能最具前景的方式之一。電解水包括兩個(gè)半反應(yīng)——陽(yáng)極的析氧反應(yīng)（OER）和陰極的析氫反應(yīng)（HER）。酸性條件下，與Pt基催化劑在低過(guò)電位具有良好的HER性能相比，陽(yáng)極的OER反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢、催化劑的快速失活成為不利于PEMWEs實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員曹榮、曹敏納團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了表面部分氧化的Au@AuIr2核殼合金納米催化劑，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化分解水的性能。Ir基納米材料作為酸性條件下最有效的OER催化劑被廣泛研究，尤其是在不犧牲催化活性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提高原子利用率以最大化利用存儲(chǔ)稀少的貴金屬，以期能夠滿足商業(yè)化需求。在酸性條件下，Au@AuIr2表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，其本征活性和質(zhì)量活性分別是市售Ir催化劑的4.6和5.6倍。此外，Au@AuIr2還顯示出可與市售Pt/C相當(dāng)?shù)腍ER催化性能。當(dāng)使用Au@AuIr2作為陽(yáng)極和陰極催化劑用于全解水時(shí)，在1.55 V的工作電壓下就可達(dá)到10 mA/cm2，并能夠保持這種活性達(dá)40小時(shí)，遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)Ir/C||Pt/C（1.63 V，活性在數(shù)分鐘內(nèi)下降）以及目前文獻(xiàn)報(bào)道的絕大多數(shù)催化材料。利用X-射線吸收光譜和理論計(jì)算，研究人員證實(shí)了Au和Ir之間的電子相互作用導(dǎo)致部分氧化表面的產(chǎn)生，部分氧化的表面為不同的中間體結(jié)合提供了平衡，并實(shí)現(xiàn)了顯著增強(qiáng)的OER性能。在結(jié)構(gòu)表征和性能測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，福建物構(gòu)所莊巍課題組的副研究員陳浙寧通過(guò)密度泛函理論計(jì)算（DFT），進(jìn)一步驗(yàn)證了相對(duì)于表面無(wú)氧化的催化劑，表面部分氧化的Au@AuIr2核殼合金納米顆粒具有更有效的OER催化性能。

該研究從原子尺度上實(shí)現(xiàn)了核殼合金納米結(jié)構(gòu)及電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，有助于理解催化劑結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系，為材料設(shè)計(jì)提供了思路；通過(guò)表面氧化和材料組成的合理設(shè)計(jì)可以使不同中間體的結(jié)合達(dá)到適當(dāng)平衡，不僅更大限度地提升了催化劑的活性，穩(wěn)定性也極大地提升了貴金屬催化劑的利用效率。

博士研究生王慧敏為論文第一作者。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上，并被編輯選為該期的Supplementary Cover Graphic。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目和福建省自然科學(xué)基金的支持。

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核殼合金納米顆粒的結(jié)構(gòu)示意圖及其電解水催化性能