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第一作(zuo)者：王惠泽

通(tong)讯作者：王惠泽，Marc Ledendecker

第一单位：亥姆霍兹可再生能源研究所、慕尼黑工大

DOI：10.1002/anie.202508589

纳米尺度工程在提升电(dian)催化(hua)剂活性(xing)与(yu)(yu)稳定(ding)性(xing)方面起着关键(jian)作用，特别是(shi)在聚合物(wu)电(dian)解(jie)质膜水电(dian)解(jie)（PEMWE）中。该技术可实现高(gao)效氢气生(sheng)产，但阳极析(xi)氧(yang)反(fan)应（OER）仍(reng)面临反(fan)应缓慢与(yu)(yu)缺乏稳定(ding)催化(hua)剂的双重(zhong)挑战。尽管氧(yang)化(hua)钌(liao)等材料(liao)活性(xing)较高(gao)，但晶(jing)态(tai)金红石相IrO₂在(zai)酸性条件下表(biao)现出更优的稳定(ding)性。然而(er)，传统(tong)高(gao)温合成虽然能(neng)增强晶相比例，却(que)导致颗粒增大、比表(biao)面积下降(jiang)，显著削弱(ruo)催(cui)化性能(neng)。为(wei)兼顾活性与稳定(ding)性，研(yan)究(jiu)者尝试了如(ru)包覆、核壳、负载(zai)等(deng)策略，但常因结构不稳定(ding)而(er)限制长(zhang)期(qi)使用。

图一直观展示了通(tong)过不(bu)同激光(guang)波长控制加热路径，从而实(shi)现对材料相结(jie)构(gou)（Ir vs IrO₂）和晶粒尺寸的调控。CO₂激(ji)光适(shi)用(yong)于还原成金属铱(yi)，光纤激(ji)光则(ze)促进(jin)氧(yang)化铱(yi)的结晶化。这(zhei)一策略(lve)为实现常温下可控(kong)、固态合成超小铱(yi)基(ji)纳(na)米颗粒提供了技术基(ji)础。

图(tu)(tu)1：基于激光诱导(dao)纳(na)米(mi)反应器的创新合成策略示意图(tu)(tu)

研究通过(guo)调控激光参数和前(qian)驱体类型，实现(xian)了(le)对铱基纳米(mi)颗粒(li)结构的精准(zhun)合成与筛选(xuan)。使用CO₂激光易因能量过高导致铱还(hai)原(yuan)为金(jin)属，难以形成纯IrO₂。为此，研究者(zhe)对前驱(qu)体进行300°C预热(re)，并(bing)改用光纤激光（1060 nm），成功实现了100%晶态金(jin)红石相IrO₂的合成。光(guang)纤激光(guang)因(yin)SiO₂对其透明，可实现温(wen)和加热，避免颗粒团聚。同时，预热前驱体(ti)有助于(yu)减小晶(jing)粒并提升结晶(jing)度(du)。该策(ce)略实现了在常温(wen)下(xia)对IrO₂粒(li)径和结构(gou)的(de)有效调控，为稳(wen)定高活性催化剂的(de)快速合成提(ti)供了新方法。

图(tu)2基于XRD分析(xi)的晶(jing)态纳米颗粒(li)催(cui)化剂(ji)筛选与表征(zheng)

研究利用原位质谱技术实时(shi)监测激(ji)光(guang)照射下的气体(ti)释(shi)放行为，揭示了(le)不(bu)同激(ji)光(guang)条(tiao)件(jian)下铱前驱(qu)体(ti)的反应机制(zhi)。CO₂激光（10600nm）处理(li)IrO(OH)ₓ时释放大量H₂和含氧气(qi)体，表明材料发生自发还原反应，最终转(zhuan)化为金属Ir；而经过(guo)300°C预热(re)的前驱体(ti)气体(ti)释放显著减少，显示出更高的热(re)稳定性。相比(bi)之下，光纤激(ji)光（1060nm）加热过(guo)程温(wen)和，仅(jin)产生少(shao)量气体，有利于非(fei)晶IrOx向晶态IrO₂的结构转变。结合XRD结果(guo)，研究确认CO₂激光诱导还原，而光纤(xian)激光则(ze)驱动结晶转化，两者代表不同的激光调控(kong)反应机(ji)制。

图 3：基于原位质谱的激光反应过程实时(shi)监(jian)测

通过 XRD、HAADF-STEM 和(he) XPS 表征，系统揭示了(le)激光合成的 Lis-Ir 和(he) Lis-IrO₂ 的(de)晶(jing)(jing)体结构(gou)、纳(na)米形貌(mao)和(he)化学状态(tai)(tai)，证实分(fen)别(bie)为超小(xiao)粒径的(de)金属铱和(he)晶(jing)(jing)态(tai)(tai)金红石型氧化铱。

图 4：超小晶态 Ir 与 IrO₂ 纳米颗粒(li)的结(jie)构表征

研究人员系统评估了激光(guang)合成的 Lis-Ir 和 Lis-IrO₂ 的酸(suan)性(xing)析氧(yang)反应（OER）性(xing)能(neng)及稳(wen)定性(xing)。Lis-IrO₂ 显示出(chu)极高的质量(liang)活性（350 ± 15 A gIr⁻¹ at 1.53V_RHE），显著优(you)于(yu)所(suo)有商业和文献报道的晶态 IrO₂ 催化剂，且超过高(gao)温(wen)合(he)成的小尺(chi)寸IrO₂材(cai)料。Tafel斜率(lv)分析、电(dian)荷转(zhuan)移(yi)阻抗(kang)和比表面(mian)积测定(ding)进一步表明其具有优异的反应动力(li)学与界面(mian)特性(xing)。结(jie)构稳定(ding)性(xing)方面(mian)，24小时恒电(dian)位测试及TEM表明 Lis-IrO₂ 保(bao)持了良好(hao)的金(jin)红石相结构(gou)，而 Lis-Ir 出现了明显团(tuan)聚现象。进一步(bu)通过在线流通电池-ICP-MS 实(shi)时监测催化剂溶(rong)解行为，发现 Lis-IrO₂ 的溶解度远低于商业 RuO₂ 和其他 IrO₂ 材料，并(bing)具有(you)最(zui)高(gao)的稳定性(xing)指标 S-number，在保持高(gao)活(huo)性(xing)的同时展现出(chu)优(you)异的耐久(jiu)性(xing)。

图 5：激光合成的 Ir 与(yu) IrO₂ 催化剂的析氧反(fan)应（OER）性(xing)能

图 6：CFC-ICP-MS 溶解测试评估(gu)激光合成 Ir 和(he) IrO₂ 催(cui)化剂的稳定(ding)性

本研究提出了一种基于高能激光的(de)固(gu)态合成(cheng)方法，可在(zai)常温(wen)下(xia)高效制备(bei)超小晶态金(jin)(jin)属及氧化物纳米颗粒，具(ju)备(bei)精确的(de)尺寸与结(jie)构调控能力。通过光纤激光实现(xian)了对金(jin)(jin)红石相 ~2 nm IrO₂ 的(de)结晶调(diao)控，所得材料在(zai)酸性 OER 中表现(xian)出优异(yi)的(de)活(huo)性与稳(wen)定性，超(chao)越已报道的(de)晶态(tai) IrO₂ 与 RuO₂ 催化剂(ji)。同时，利用 CO₂ 激光还(hai)可(ke)(ke)低能(neng)耗(hao)合成 ~1 nm 金(jin)属(shu)铱颗粒。该方法兼具(ju)能(neng)效(xiao)(xiao)高(gao)(gao)、结构可(ke)(ke)控(kong)和性能(neng)优异等(deng)优势(shi)，为开(kai)发低成本、耐(nai)腐蚀(shi)、高(gao)(gao)效(xiao)(xiao)的酸性 OER 催(cui)化剂提供了新思路，并具(ju)备(bei)广泛拓(tuo)展至多(duo)金(jin)属(shu)及其氧化物电催(cui)化材料(liao)的潜力。

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