南京师范大学Angew:有序Ba₂EuIrO₆双钙钛矿:一种高效稳定的低铱负载PEMWE阳极氧析出催化剂

研究背景

随着全球对清洁能源需求的日益增长，氢能作为一种高效、清洁的能源载体，正受到越来越多的关注。质子交换膜水电解（PEMWE）技术因其能够高效、快速地响应可再生能源（如风能和太阳能）的间歇性特点，成为绿色氢能生产的关键技术之一。然而，PEMWE技术的广泛应用受限于阳极氧析出反应（OER）的缓慢动力学以及催化剂在强酸性环境下的严重降解问题。尽管铱（Ir）基氧化物（如IrO₂）因其优异的耐腐蚀性和一定的OER活性而被视为当前最先进的催化剂，但铱的高稀缺性和高成本限制了其大规模部署。因此，开发一种低铱负载量、高活性及稳定性的OER催化剂对于推动PEMWE技术的商业化应用至关重要。

研究内容

本研究成功合成了一种有序的Ba₂EuIrO₆双钙钛矿材料，并系统评估了其在酸性电解质中作为OER催化剂的性能。通过一系列先进的表征技术和理论计算，揭示了Ba₂EuIrO₆催化剂在OER过程中的优异表现及其背后的作用机制。

过电位：在10 mA cm⁻²的电流密度下，Ba₂EuIrO₆催化剂展现出仅250 mV的低过电位，显著优于对照样品BaIrO₃（300 mV）和商业IrO₂催化剂（310 mV）。

质量活性：在1.57 V（相对于可逆氢电极，RHE）的电位下，Ba₂EuIrO₆的质量活性高达1.39 A mg⁻¹，是BaIrO₃（0.16 A mg⁻¹）的8.7倍，商业IrO₂（0.06 A mg⁻¹）的23.2倍。

转换频率（TOF）：基于Ir为关键活性位点计算，Ba₂EuIrO₆的TOF值为4.1 s⁻¹，优于对照样品。

电化学双层电容（Cdl）：Ba₂EuIrO₆的Cdl值为24.5 mF cm⁻²，远高于BaIrO₃的6.0 mF cm⁻²，表明其具有更高的电化学活性表面积。

表观活化能（Eapp）：通过Arrhenius图分析得出，Ba₂EuIrO₆的Eapp值为33.88 kJ mol⁻¹，低于BaIrO₃的43.39 kJ mol⁻¹，表明其OER过程的能量壁垒更低。

稳定性测试：在连续的循环伏安扫描测试中，Ba₂EuIrO₆经过3000次循环后电流密度几乎没有衰减，而BaIrO₃则表现出明显的活性下降。此外，在160小时的恒电位测试中，Ba₂EuIrO₆仅表现出轻微的性能衰减。

PEMWE性能：使用Ba₂EuIrO₆作为阳极催化剂组装的PEMWE电池在1.0 A cm⁻²的电流密度下仅需1.67 V的电压，并且在1.0 A cm⁻²下稳定运行超过350小时，展示了其在实际应用中的巨大潜力。

工作创新点

新型双钙钛矿材料设计：本研究首次报道了有序Ba₂EuIrO₆双钙钛矿作为OER催化剂的应用，通过引入Eu³⁺离子，不仅调节了Ir的氧化态，还优化了催化剂的电子结构，从而显著提升了OER活性。

桥氧介导的去质子化机制（BOMD）：研究发现，Ba₂EuIrO₆中的Ir─O桥─Eu单元作为催化活性中心，通过桥氧原子作为质子受体，触发了独特的去质子化路径，打破了传统吸附能之间的线性缩放关系，降低了反应能垒。

电子结构调控：Eu的引入增加了Ir d z²轨道的电子密度，提高了吸附氧的自旋密度，加速了─OH的攻击并降低了OOH*形成能垒，进一步提升了OER动力学。

优异的稳定性和低铱负载：Ba₂EuIrO₆不仅展现了卓越的OER活性和稳定性，还实现了低铱负载设计，为PEMWE技术的商业化应用提供了可行的催化剂方案。

原文信息

Y.Zhu, Y.Wang, Y.Zhou, et al.Ordered Ba2EuIrO6 Double Perovskite With Active Ir─Obri─Eu Unit for Enhanced Electrocatalytic Oxygen Evolution in PEMWE, Angewandte Chemie International Edition (2026): e8724105, https://doi.org/10.1002/anie.8724105

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