摘要
“低排放”氢能的利用是未来缓解高碳排放、实现净碳中和目标的关键方案之一。质子交换膜（PEM）水电解技术，是利用可再生能源进行大规模制氢的最有前途的技术之一。但是PEM水电解的阳极酸性析氧反应（OER）在高电位和腐蚀环境下严重依赖于昂贵的氧化铱（IrO2）。IrO2的稀缺性和对OER催化活性的不足，使其在规模和性能上远远不能满足PEM电解槽的要求。高效稳定的低成本酸性OER电催化剂的研发和工况下的机理研究是技术攻关重点。本论文设计筛选出了在工况下具有高性能的低载量铱基催化剂，并研制了系列原位谱学—电化学装置，在工况下深入研究其活性和稳定性来源，为异相催化领域提供高性能催化剂的开发和工况机理研究提供参考。本论文内容总结如下: （1）本论文合成了系列低载铱基负载型催化剂，筛选出了由多元醇还原法制得的Ir-ZrTaOx高性能电催化剂。该催化剂质量比活性是IrO2的2个数量级，在10 mA cm-2的电流密度下持续电解并保持其活性逾1000小时。将其作为PEM电解槽的阳极，可以将Ir载量降至传统催化剂的四分之一，该催化剂在1 A cm-2的电流密度下持续电解200小时，衰减速率仅为4.7μV h-1,达到了欧盟2023年衰减速率的技术目标。 （2）本论文研发了系列用于近工况下原位谱学-电化学表征装置，将目前还集中在电解液体系的原位研究向膜电极体系拓展，为研究工况下催化剂高活性和稳定性的科学机制提供参考。本文以Ir-ZrTaOx催化剂为例，通过微分电化学质谱和理论计算揭示了 Ir-ZrTaOx活性来自于晶格氧氧化机制;通过原位紫外拉曼光谱、X射线吸收谱和理论计算，发现混相载体ZrOx/TaOx界面处构建的氧扩散路径，在OER反应过程中为氧传输提供通道，防止主载体TaOx过度氧化和向不稳定的配位构型变化，提升了催化剂结构稳定性和相应的性能稳定性。
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