第一作者：隋家熙、孙浩

通讯作者：罗晓燕主任研究员、黄小萧教授

通讯单位：苏州实验室、哈尔滨工业大学

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202505131

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质子交换膜电解水（PEMWE）的大规模应用受限于阳极析氧反应（OER）催化剂的高铱载量与稳定性矛盾。本研究通过理论计算指导，首次设计缺陷型K₂Ti₈O₁₇（KTO）纳米棒载体均匀锚定超细IrOₓ纳米颗粒（<3 nm），实现超低铱载量（10.89 wt%）下的高效OER电催化性能。该催化剂在酸性OER中质量活性达399.1 A g⁻¹，较IrO₂提升4.4倍，以KTO载体催化剂为阳极的PEMWE电解槽铱使用量相较于商用膜电极降低85%（0.3 mgcm⁻²），在3 A cm⁻²超高电流密度下电压仅1.79 V，稳定运行>500小时，制氢能耗低至44.0 kWh kg⁻¹ H₂（绿氢成本$0.88/kg）。研究指出，缺陷工程与界面电荷重分布协同提升了催化剂本征活性与工业级稳定性，为低成本绿色能源制氢提供了新范式。

背景介绍

铱基材料是酸性OER唯一实用的催化剂，但当前1-2 mg cm⁻²的高载量制约PEMWE产业化。降低铱用量的策略面临严峻挑战：单原子催化剂在高电流密度下易失活，掺杂催化剂长期运行易发生元素偏析。传统载体（如TiO₂、SnO₂）受限于低比表面积和弱金属锚定能力，难以抑制活性组分团聚。本工作创新性选用钛酸钾（K₂Ti₈O₁₇）为载体，其独特的[TiO₆]八面体骨架提供本征导电性，表面负电势可静电捕获铱前驱体，纳米棒形态赋予高比表面积（76.96 m² g⁻¹），为破解工业级电流密度下的稳定性瓶颈提供新思路。

研究出发点

研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算发现KTO载体可显著优化IrO₂表面的OER路径：理论模型显示KTO-IrOₓ界面使反应能垒从1.33 eV降至0.51 eV。基于此预测，采用低温水热法合成KTO纳米棒载体，并通过液相还原与热氧化策略在表面锚定超细IrOₓ颗粒。重点探究载体缺陷对颗粒尺寸的调控机制，并通过原位光谱揭示OER过程中活性位点的动态活化过程。最终在PEM电解槽中验证3 A cm⁻²工业级电流密度和气候波动天气模拟下的长期稳定性。

图文解析

图1. KTO负载IrO2降低OER能垒的理论机制

通过构建IrO₂/KTO界面模型，计算三种OER路径（AEM、LOM、OPM）的自由能变化。结果表明，KTO载体使Ir位点遵循AEM路径，其决速步（*O → OOH）能垒仅0.51 eV，较纯IrO₂（1.33 eV）降低62%。界面电荷差分图（图1d）显示KTO向IrO₂转移电子，优化OOH中间体吸附，为实验设计提供理论依据。

图2. IrOₓ/KTO-1催化剂的精细结构表征

通过界面限制热解法合成的IrOₓ/KTO-1催化剂中，球差校正HAADF-STEM图像显示IrOₓ颗粒均匀分散于KTO纳米棒表面，平均粒径仅1.1 nm（>90%颗粒<2 nm）。高分辨TEM确认KTO载体（晶格间距0.75 nm）与IrO₂颗粒（0.31 nm对应IrO₂（111）晶面）的共存结构。反傅里叶变换图像揭示KTO表面存在高密度缺陷位点，为Ir前驱体提供锚定位点。EDS元素分布图证实Ir元素在载体上的均匀分散。

图3. 界面电子转移与原子结构

XPS分析显示KTO载体上的Ti 2p结合能正移（458.59 eV → 464.36 eV），而Ir 4f结合能负移（61.65 eV → 64.58 eV），证实电子从KTO向IrOₓ转移。Ir L₃边X射线吸收近边结构（XANES）表明Ir价态介于Ir⁰与Ir⁴⁺之间。扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）进一步揭示：Ir-O键长（1.59 Å）较IrO₂（1.56 Å）增加，印证Ir价态降低；第二壳层Ir-O-Ir/Ti键长缩短，直接证明KTO与IrOₓ的强界面相互作用。

图4. 酸性OER电化学性能

在0.5 M H₂SO₄中，IrOₓ/KTO-1催化剂在10 mA cm⁻²电流密度下的过电位仅254 mV，较IrO₂降低50 mV。Tafel斜率低至64 mV dec⁻¹，表明更优的反应动力学。质量活性达399.1 A g⁻¹，是IrO₂的4.4倍。电化学阻抗谱显示其电荷转移电阻（23.72 Ω）较IrO₂降低64.5%。在50 mA cm⁻²高电流密度下持续运行100小时，电压衰减速率仅0.19 mV h⁻¹，展现卓越稳定性。

图5. PEM电解槽工业性能

采用IrOₓ/KTO-1阳极组装的电解槽在3 A cm⁻²电流密度下仅需1.79 V槽压，较IrO₂阳极降低160 mV。恒定1 A cm⁻²运行550小时后，能耗稳定在44.0 kWh kg⁻¹ H₂，对应绿氢成本$0.88/kg。在模拟光伏波动的动态工况测试中，电解槽响应0-16 A电流变化时电压偏差<10 mV。最令人瞩目的是，在3 A cm⁻²超高电流密度下连续运行500小时，电压衰减率仅60 μV h⁻¹，且测试前后极化曲线几乎重合，证明其工业场景适用性。

图6. 界面活化机制

原位拉曼光谱显示IrOₓ/KTO-1在电位升高时，Ir-O振动峰发生显著红移，表明反应过程中Ir价态升高（活化过程），而纯IrO₂无此现象。XPS分析进一步证实反应后Ir 4f结合能正移，与拉曼结果一致。DFT计算的态密度分布表明KTO载体使Ir-5d带中心上移，减弱氧中间体吸附能，加速反应动力学。

总结与展望

本研究通过理论计算与实验验证，首次开发K₂Ti₈O₁₇负载的超低铱催化剂，实现三重突破：界面电荷重分布使OER能垒降低62%；限域合成实现1.1 nm超细IrOₓ稳定锚定；PEM电解槽在3 A cm⁻²电流密度下稳定运行500小时，绿氢成本降至$0.88/kg。该工作不仅为酸性OER催化剂设计提供新思路，更推动质子交换膜电解水技术向产业化迈进。未来研究将聚焦载体形貌优化（片状/三维结构）及波动工况下的材料行为解析，加速绿氢规模化应用。

团队介绍

苏州实验室低温电解水制氢团队承担苏州实验室重大项目。项目团队已申请中国发明专利11项，涵盖电催化剂、质子交换膜、膜电极、电堆方面。目前项目形成了低温自主可控电解水关键材料制备及全链条综合测试平台的能力。2024年获批“江苏省外国专家工作室”。

罗晓燕，苏州实验室主任研究员，国家高层次人才计划入选者，获得江苏省杰出青年基金。在加拿大西蒙弗雷泽大学获得硕士、博士学位，导师为加拿大皇家科学院院士Steven Holdcroft教授。曾在美国劳伦斯伯克利国家实验室以及加拿大巴拉德动力公司从事氢能研发。长期致力于氢能离子交换膜及其膜电极的设计和研发。2023年加入苏州实验室，目前担任PEM电解水制氢项目负责人。

原文信息

J. Sui, H. Sun, F. Wang, Q. Zhang, S. Ling, Y. Li, Z. Zhang, J. Zhong, X. Huang, B. Zhong, X. Luo, Defective K2Ti8O17 Nanorod Supports Enable Stable High-Current-Density Acidic Water Electrolysis via Confinement-Engineered IrOx. Small 2025, 2505131.