原子级Ir工程调控CuO纳米线实现高效稳定的碱性析氧反应

为解决贵金属基析氧反应(OER)催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员通过阳离子交换和脱水法在CuO纳米线中构建原子级分散的Ir-O-Cu和Ir-O-Ir活性位点。所得IrSA-CuO在1 M KOH中仅需204 mV过电位即可达到10 mA cm?2电流密度，质量活性达商用IrO2的69倍，并在500 mA cm?2下稳定运行420小时。该研究通过原位拉曼和理论计算揭示了异质原子配位工程对平衡催化活性与耐久性的关键作用，为工业电催化剂设计提供新范式。

　　

随着可再生能源制氢技术的快速发展，析氧反应(OER)作为水分解的阳极半反应，其缓慢的四电子转移过程成为制约整体效率的瓶颈。尽管贵金属Ir/Ru氧化物仍是OER的基准催化剂，但其稀缺性和高成本严重阻碍工业化应用。铜基材料因其价格适中、导电性良好和丰富氧化还原特性备受关注，但固有活性不足和反应过程中的结构重构问题长期未获解决。

针对这一挑战，中国科学院福建物质结构研究所的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表创新成果。通过阳离子交换和脱水策略，在CuO纳米线中精准构建原子级分散的Ir-O-Cu和Ir-O-Ir活性位点，系统探究了异质原子掺杂对OER性能的增强机制。研究发现，这种原子级工程不仅显著提升催化活性，更赋予材料超常的稳定性，为设计高性能工业电催化剂提供了新思路。

研究采用三步骤合成法：首先通过阳极氧化制备Cu(OH)₂纳米线，随后进行Ir³⁺阳离子交换，最终脱水形成Ir掺杂CuO。结合同步辐射X射线吸收谱(XAS)、球差校正透射电镜(AC-STEM)确认Ir原子级分散；通过原位拉曼光谱追踪反应中间体；采用密度泛函理论(DFT)计算揭示活性位点作用机制。

合成与表征
Ir_SA-CuO和Ir_DA-CuO纳米线通过三步法在铜泡沫(CF)上制备。X射线衍射(XRD)和电子显微镜证实材料保持原始晶体结构和纳米线形貌。X射线光电子能谱(XPS)和XAS显示Ir向CuO的电子转移，形成独特的Cu-O-Ir和Ir-O-Ir配位环境。

电化学性能
Ir_SA-CuO/CF在10 mA cm^?2电流密度下仅需204 mV过电位，质量活性达商用IrO₂的69倍。更引人注目的是，在200 mA cm^?2和500 mA cm^?2高电流密度下分别稳定运行300小时和120小时，过电位仅增加15 mV，展现出卓越的工业应用潜力。

机理研究
原位拉曼光谱发现Ir-O-Ir位点能延迟Cu^II氧化为Cu^III的起始电位，抑制结构重构。DFT计算表明Cu-O-Ir位点通过不对称键合降低桥接O吸附能，加速速率决定步骤中OOH的形成。这种协同作用使材料兼具高活性和稳定性。

该研究突破性地揭示了异质原子配位环境对OER性能的双重调控机制：Cu-O-Ir位点优化反应动力学，而Ir-O-Ir位点增强结构稳定性。这种原子级工程策略不仅为理解掺杂效应提供新视角，更建立了"活性-稳定性"协同提升的普适性方法。研究成果对推动非贵金属催化剂工业化应用具有重要指导意义，被评价为"为下一代电催化剂设计绘制了原子精度蓝图"。论文通讯作者Kang Longtian强调，这种策略可拓展至其他过渡金属体系，为清洁能源转换技术发展开辟新途径。