电化学水分解制氢是可再生能量转换最有前途的方法之一。在众多电化学分解水技术中，质子交换膜电解水(PEMWE)技术因其电流密度大、氢气纯度高、动态工况启动响应快等优点而备受关注。整个水分解过程包括析氧反应(OER)和析氢反应(HER)两个半反应，它们都需要有效的催化剂来降低电化学反应过电位。
但与碱性电解水体系相比，酸性电解水的腐蚀性更强，对催化剂的稳定性提出了更高的要求。特别是，阳极催化材料在高极化电位下更容易加速材料的溶解，导致催化活性急剧下降。此外，非均相材料在水分解过程中的表面转化/重构也引起了人们的广泛关注。这种转化过程使催化剂的研究复杂化。因此，目前有必要开发在酸性环境下高效且结构稳定的电催化剂，以提高其酸性水分解的活性和耐久性，并深入理解其作用机理。近日，中国科学技术大学吴长征课题组成功地实现了具有亚纳米孔的高度结晶的Ir3Ni纳米笼(Ir3Ni NC)的可控生长，并且其具有优异的酸性整体水分解性能。实验结果和理论计算表明，亚纳米孔和纳米笼特性的存在使Ir3Ni具有最佳的内表面暴露，有助于提高Ir的利用率；同时，在反应过程中，材料表面发生重构，在此过程中Ni的掺入有助于降低酸性OER速率控制步骤的能垒，并优化原始Ir3Ni对HER电催化的氢吸附自由能。因此，与非掺入样品相比，Ir3Ni NC的重构诱导产生更高的本征OER和HER电催化活性。此外，与非结构化IrNi相比，Ir3Ni NC高度结晶的性质使其具有更好的稳定性和催化耐久性。电化学性能测试结果显示，在酸性条件下，Ir3Ni NC催化剂在10 mA cm−2电流密度下的OER和HER过电位分别为282和18.5 mV，并且其在长期电解过程中仍保持良好的活性，显示出优异的反应稳定性。此外，利用Ir3Ni NC作为双功能电催化剂组装的PEMWE达到0.5 A cm−2电流密度所需的槽电压仅为1.77 V，并能够在100 mA cm−2电流密度下连续工作超190个小时，显示出巨大的工业应用潜力。综上，该项工作不仅对Ir合金的构效关系提供了基础认识，也为合理设计酸性水分解催化材料提供了有效策略。Highly crystalline iridium–nickel nanocages with subnanopores for acidic bifunctional water splitting electrolysis. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c01379
