动态模板重构诱导介孔铱催化剂实现高电流密度质子交换膜水电解

本研究创新性地通过La2O3模板动态重构策略，构建三维介孔IrO2骨架（3MS-IrO2），解决了质子交换膜水电解（PEMWE）在高电流密度下的传质限制问题。该催化剂在5 A cm?2下稳定运行2,700小时，电压衰减率仅0.38 μV h?1，性能超越欧盟2030年和美国能源部2026年目标，为绿氢低成本规模化生产提供突破性解决方案。

　　

Highlight
提升电流密度是降低电解水制绿氢成本的关键策略。本研究通过La₂O₃模板动态重构，实现超小Ir纳米颗粒的高密度嵌入，经电化学氧化后形成具有~5 nm介孔的三维IrO₂骨架（3MS-IrO₂）。该结构显著改善高电流密度下的气体传质，使质子交换膜水电解（PEMWE）在5 A cm^?2下实现创纪录的2,700小时稳定运行，电压衰减率低至0.38 μV h^?1，提前达到国际清洁能源技术指标。

动态加载过程分析
通过高分辨透射电镜（HR-TEM）追踪发现，La₂O₃在IrCl₆^2?吸附过程中发生重构，Cl^?诱导产生持续缺陷位点，促使Ir纳米颗粒（~2 nm）像"种子"般高密度锚定。这种"动态播种"机制突破了传统模板固定成核位点的限制。

材料优势解析
3MS-IrO₂的介孔网络如同"分子高速公路"，既减少离子聚合物（ionomer）对活性位点的覆盖，又加速气泡脱附。电化学测试显示，其质量活性达商业IrO₂的8倍，塔菲尔斜率降低42%，印证了"孔隙-活性"协同增强效应。

应用性能突破
在膜电极测试中，3MS-IrO₂在2.0 V电压下电流密度飙升至6.8 A cm^?2，且连续运行超4个月后仍保持95%初始活性。这种"马拉松式"稳定性源于介孔骨架对IrO₂颗粒的机械约束作用，有效抑制了奥斯特瓦尔德熟化现象。

结论
该工作为设计下一代电解水催化剂提供了"动态模板重构"的新范式，其性能指标已满足工业化需求。未来通过调控介孔尺寸分布，有望进一步突破10 A cm^?2的技术壁垒。