质子交换膜（PEM）电解水技术具有能耗低、效率高、氢气品质好、运行可靠等诸多优点，尤其是所具有的高度灵活性及优异的功率调节功能，非常契合风、光、水等可再生能源波动性特点。目前商用PEM电解槽析氧催化剂是以IrO2为代表的铱基催化剂，膜电极铱载量通常高达2-4 mg/cm2。铱资源极其匮乏且价格高昂，很多国家（如美国能源部、中国科技部）制定了明确的时间表和路线图，致力于大幅度降低铱用量。使用适当的催化剂载体有助于减少贵金属的负载量和提高催化性能。然而阳极析氧反应的强酸、强氧化性工作环境，使得传统载体材料（碳、金属氧化物等）难以达到理想效果。设计合成高导电、强耐蚀、大表面的新型载体材料和负载型铱催化剂十分重要。
图：IrO2@TaB2催化剂、膜电极及PEM电解槽应用
该课题组报道了一种熵驱动二硫化物向二硼化物转化的合成策略，可以制备一系列纯相、大表面、高结晶度的二硼化物。以TaB2为载体，通过改进的Adams熔融法，实现了小尺寸IrO2的均一致密负载。通过载体和负载技术结合创新，研发了高活性、高导电性的低铱负载型催化剂IrO2@TaB2。该负载型催化剂同时具备了酸稳定性、高电导性、大比表面积等特点。由于载体的“锚定-限域”效应，其催化活性和稳定性都优于商业IrO2催化剂。依据新型催化剂制备的PEM膜电极，Ir载量降至0.15 mg/cm2，相比于传统膜电极的Ir载量降低了近90%；同时膜电极呈现了优异的催化性能，PEM电解槽性能达到2.0 V@3.1 A/cm2@80oC，超过美国能源部公布的2023年技术指标。
综上，该工作提出了高导电、强耐蚀和大表面的硼化物材料作为IrO2催化剂载体，实现了PEM电解槽膜电极催化层铱载量的大幅度降低，有助于推动低铱负载型阳极催化剂在工业PEM电解槽中的实际应用。
文章详情：Yuannan Wang, Mingcheng Zhang, Zhenye Kang, Lei Shi, Yucheng Shen, Boyuan Tian, Yongcun Zou, Hui Chen*, Xiaoxin Zou*. Nano-metal diborides-supported anode catalyst with strongly coupled TaOx/IrO2catalytic layer for low-iridium-loading proton exchange membrane electrolyzer.Nat. Commun.2023, 14, 5119.
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40912-8
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