质子交换膜(PEM)水电解通过实现高效的氢气生成，在彻底改变清洁能源生产方面具有很大的前景。然而，设计出在析氧反应(OER)过程中既高活性又耐酸的电催化剂，从而减轻实质性的动力学障碍，仍然是一个艰巨的挑战。在这项研究中，介绍了通过热冲击法快速合成铱钇合金纳米催化剂，该催化剂在酸性水氧化环境中表现出优异的活性。通过将分散的Y元素整合到Ir金属晶格中，该催化剂在10 mA cm - 2的电流密度下具有255 mV的过电位，并且在酸性电解质中表现出卓越的催化稳定性，在100 mA cm - 2的高电流密度下持续超过500 h。通过一套全面的原位表征和分析方法，揭示了由去质子化和电化学氧化引起的表面Ir基氧化层的形成，Y掺杂剂的存在显著地稳定了该氧化层。活性位点的这种稳定性增强了对过度氧化和溶解的抵抗力，巩固了催化剂的特殊稳定性。理论计算表明，在催化剂结构中加入Y对提高相邻Ir位点上氧中间体(O*)的反应活性有显著影响，从而降低过电位，提高OER活性。合金化方法为实现催化剂设计中的原子级修饰提供了一种直接的方法，并为开发更有效、更经济可行的OER催化剂铺平了道路。

a)合成IrY催化剂的焦耳加热法原理图。b)合金和纯Ir的XRD图谱。c) IrY的TEM图像及其尺寸分布直方图(插图)(比例尺:200 nm)。d) HADDF-EDS线扫描图，描绘了IrY合金中分离的元素(比尺:5 nm)。e) IrY催化剂的HRTEM图像。f)以合成的IrY和Y、金红石IrO2和Ir箔的Ir L3边XANES作为参考样品。g,h)表示Ir和Ir的Ir 4f和Y 3d的XPS光谱。

H型电池的酸性OER性能。IrY、Ir和Com-IrO2的LSV曲线a)和Tafel斜率b)。c)IrY、Ir和Com-IrO2的Nyquist图。d) ECSA归一化LSV曲线。e)在0.5 m H2SO4电解液中，电流密度为100 mA cm−2时，IrY合金和Ir催化剂的计时电位曲线(插图:稳定性测试前20 h通过气相色谱法监测的相应FE)。f) IrY和Ir的AST试验10000次。g)我们的催化剂与之前报道的催化剂的酸性电解质稳定性的比较。除了Ir3Cu, CIS@Ir48Ru52和Ir6Ag9在5 mA cm - 2下进行外，大多数催化剂的稳定性测试都在10 mA cm - 2下进行，而IrWB和我们的催化剂在100 mA cm - 2下进行测试。

a)以Ir箔和IrO2为参考，在1.0、1.4和1.6 V不同施加电位下，Ir L3边缘的Operando XANES光谱。b)原位k3加权FT-EXAFS在不同施加电位下制备的IrY。Ir箔和IrO2的数据作为参考。c) OER测试前后Ir的XPS的4f。d)在OCP和不同电位作用下的原位拉曼光谱。e) OER前后的HRTEM图像，比例尺为2 nm。f) OER过程后的IrY催化剂HAADF-EDS图谱;比例尺等于5 nm。所有电位vs RHE。

a)理论二维过电位映射作为ΔGOH*和ΔGO* - ΔGOH*的函数。b) U = 1.23 Vvs RHE时IrO2(100)和Y掺杂IrO2(100)的OER的自由能图。粗体线表示PLSs。在Y-IrO2(100)和IrO2(100)上吸附OH*， O*和OOH*的优化几何形状，以及相应的无吸附表面，在底部描绘。c) O*吸附IrO2(100)和y掺杂IrO2(100)的O-2p轨道的PDOS。

综上所述，本工作证明了通过热冲击法成功合成了IrY合金催化剂。所制备的催化剂表现出低过电位和稳定的性能，在电流密度为100 mA cm−2时，可保持至少500 h，过电位可忽略不计。通过原位表征和DFT分析，我们发现在恶劣的酸性环境下，稀土合金通过自重构形成了活性掺Y的Ir基氧化物层，这可以通过改变电子结构和优化催化中间体的结合能来提高OER活性。这项工作不仅提供了一种具有卓越活性和稳定性的替代方案，而且还为继续探索和设计高效电催化剂提供了指导意见，特别是利用掺杂对PEM应用的有益影响。

High‐Efficiency Iridium‐Yttrium Alloy Catalyst for Acidic Water Electrolysis - Xiong - Advanced Energy Materials - Wiley Online Library

https://doi.org/10.1002/aenm.202304479