第一作者：梁浩 (硕士研究生)

通讯作者：胡浩教授、程浩艳副教授

通讯单位：河南科技大学

论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125962

水电解技术因其高效性和环境友好性，被视为绿色氢生产的关键支撑技术。其中，质子交换膜水电解（PEMWE）凭借其高电流密度（>2 A cm⁻²）、快速动态响应能力以及卓越的气体纯度，在水电解领域占据重要地位。然而，PEMWE的阳极析氧反应（OER）受到动力学与材料稳定性方面的双重限制，严重阻碍了其进一步产业化：

1. 在酸性介质中，传统铱基催化剂由于晶格氧过度参与反应，导致不可逆的过氧化和结构坍塌；

2. 常规的IrO₂中刚性的Ir-O配位结构使氧中间体的吸附能过高，从而显著提高反应能垒，限制了OER活性。

这些问题的根源在于现有催化剂设计难以在原子尺度上同时协调催化活性位点微环境的精确调控与材料结构稳定性的需求，从而形成性能与耐久性之间的竞争性障碍。

针对上述挑战，作者设计了一种层状A₂BO₄型钙钛矿材料（Ca₁.₆K₀.₄IrO₄₋ₓ）。研究表明，在该结构中通过在A位引入外源掺杂阳离子（如M⁺），可有效诱导晶格膨胀和局部电荷失衡，显著促进氧空位（OV）的生成。这种氧空位的调控有助于优化析氧关键中间体（如*O、OOH）的吸附强度，从而降低反应能垒。此外，M⁺离子优先嵌入A-O层，并与IrO₆八面体中的氧原子形成M-O-Ir键。该键结构能够稳固锚定氧空位，并通过电子补偿效应优化Ir的d带中心，削弱反键轨道电子重叠，同时进一步降低O的吸附强度。这些调控效应的协同作用，不仅有效抑制了Ir的过氧化倾向，还显著提升了OER的稳定性和动力学性能。

材料的创新设计通过电子补偿与氧空位调控的双重机制，优化了Ir的电子结构与表面反应行为，从而实现了优异的酸性析氧反应性能。在电流密度为10 mA cm⁻²时，该催化剂的过电位仅为208 mV，质量活性达到1.505 A mgIr⁻¹。此外，在实际应用中，该催化剂在质子交换膜电解槽（PEMWE）中表现出了良好的应用潜力：在电压为1.63 V的条件下，实现了1.0 A cm⁻²的电流密度，并在520小时连续运行中保持稳定性。相关成果发表在Applied Catalysis B: Environment and Energy上，河南科技大学材料学院硕士研究生梁浩为该论文第一作者，胡浩教授与程浩艳副教授为通讯作者。

1.作者通过两种策略构建了氧空位富集的RP型Ca₂IrO₄钙钛矿催化剂：

(1)惰性气氛下退火处理的Ca₂IrO_4-x(具有充足的氧空位浓度);

(2)A位低价取代的Ca_1.6K_0.4IrO_4-x，其中K⁺掺入通过电荷补偿机制促进氧空位生成；

2.构建K-O-Ir键与氧空位的协同作用，借助A₂BO₄型钙钛矿岩盐型A-O层与IrO₆八面体层交替堆叠的特殊晶体结构，有效缓解酸性介质中质子对Ir-O键的攻击并抑制Ir物种溶解，从而突破了OER中活性与稳定性相互制约的瓶颈。

3.Ca_1.6K_0.4IrO_4-x在工业级电流密度下展现出卓越的长期稳定性，在酸性OER中实现208 mV过电位、1.505 A mg_Ir^-1的质量活性以及1000小时耐久性，在PEMWE测试中，Ca_1.6K_0.4IrO_4-x于80 ℃条件下以1.63 V的电压实现1.0 A cm^-2的电流密度，并稳定运行520小时。Ca_1.6K_0.4IrO_4-x

图2：Ca_1.6K_0.4IrO_4-x合成路线与催化剂表征；

图3：Ca_1.6K_0.4IrO_4-x电子结构表征；

图4：Ca_1.6K_0.4IrO_4-xOER电化学性能；

图5：Ca_1.6K_0.4IrO_4-x的OER机制与DFT计算；

图6：Ca_1.6K_0.4IrO_4-x(110) 晶面OER反应机制示意图；

图7：催化剂DFT计算；

本研究建立了RP-钙钛矿A位取代辅助的晶格调控策略，为质子交换膜系统设计高性能、低铱含量的OER催化剂提供了新范式。

胡浩：河南科技大学教授，省有色重点实验室有色新能源实验室主任，先进材料研究所所长。主要研究领域为电子能源纳米材料制备及功能界面结构与性能调控。先后荣获“河南省青年拔尖人才”、“河洛青年托举人才”等荣誉称号。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、省重点研发项目等国家及省部级项目6项。在Nano Letters，Nano Energy等国际顶级学术期刊上发表SCI论文70余篇，申请及授权国际国家发明专利40余项。

程浩艳：河南科技大学副教授，硕士生导师。主要研究方向为纳米材料的可控制备及其在生物医学领域的应用、先进金属功能材料的表面催化机理研究及其产业化应用。主持国家自然科学基金、河南省联合基金，河南省优秀青年基金，河南省博士后基金等项目多项。在Journal of the American Chemical Society, Biomaterials, Accounts of Chemical Research等国际顶级学术期刊上发表SCI论文70余篇，授权及申请国际国家发明专利20余项。

论文信息：

标题：Engineering a Synergistic Mechanism of K-O-Ir Bonding and Oxygen Vacancies for Durable and Accelerated Oxygen Evolution in Layered Ir-Based Perovskites；

作者：Hao Liang^a, Haoyan Cheng^a*, Bo Zhao^a, Yuhao Li^a Changrui Shi^a, Jiale Zhang^a, Yueyao Ding^a, Haojie Cui and Hao Hu^a*

网页链接：

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125962