集成式再生燃料电池因其较高的比能量密度和出色的长期存储能力，被视为极具前景的电化学能量转换与储存装置[[1], [2], [3], [4]]。这类电池将水电解器和燃料电池整合为一个整体，可通过水分解产生氢气，同时通过氢氧结合实现电能再生[[5], [6], [7], [8]]。然而，质子交换膜型集成式再生燃料电池的广泛应用仍受到氧电极上氧还原反应和析氧反应缓慢反应速率的限制[[9], [10], [11]]。为克服这一瓶颈，需要一种高效的双功能催化剂，以便在苛刻的酸性条件下同时促进这两种氧相关反应[[12], [13], [14], [15]]。铂被认为是氧还原反应的优质催化剂，而IrO2则因其在高阳极电位下的优异催化活性和出色的抗腐蚀性，常被用于析氧反应[[16], [17], [18]]。因此，铂与IrO2的组合已被广泛研究，被视为用于集成式再生燃料电池的最理想双功能电催化剂[[19], [20], [21], [22]]。
目前，人们通常通过将铂黑与基于铱的催化剂物理混合来制备双功能氧电极[1,5,23]。但这种物理混合方式会导致催化剂颗粒严重团聚，使得两种催化组分无法均匀分散[1,5,10,22]。组分分布不均会破坏连续的电子传导路径，从而增加膜电极组件内的欧姆电阻和电荷传输阻力。此外，铂黑的颗粒尺寸通常较大，其电化学活性表面积也相对有限[12,14,24]。为解决这些问题，人们开始尝试通过直接在IrO2载体上沉积铂来制备集成型的铂/IrO2催化剂[9,11]。尽管已有研究采用甲酸、硼氢化钠和抗坏血酸等还原剂进行化学还原法来制备此类催化剂[1,9,25,26]，但精确控制铂颗粒的大小仍然颇具挑战，而且往往需要添加能够屏蔽催化剂活性位的表面活性剂[13,27]。相比之下，多元醇工艺更具优势，因为它既能作为溶剂，又能充当还原剂，不仅能抑制颗粒生长，还能让超小的铂纳米颗粒在无需额外封端剂的情况下均匀沉积在载体上[28,29]。
不过，将这种多元醇工艺直接应用于IrO2载体仍面临诸多困难。由于IrO2还原为铱金属的热力学还原电位（约为0.93伏，相对于可逆氢电极）处于多元醇工艺中铂还原所需的电位范围内，因此IrO2载体在强烈的还原环境下极易被还原[28]。这种不稳定性会导致氧化物基质发生还原性转变，形成独立的铱金属颗粒，进而使载体结构崩解。这样的结构破坏从根本上阻碍了稳定型铂/IrO2结构的形成，因为铱成分无法再为铂提供稳定的界面附着平台[11,28]。此外，用于制备铂/碳催化剂的最佳pH条件也无法直接应用于IrO2载体[30]。由于IrO2的表面电荷与碳有很大差异，其与铂胶体之间的静电相互作用也会发生变化，进而影响铂的负载效率[30,31]。以往关于基于多元醇的铂/IrO2催化剂的研究，并未系统探讨IrO2载体的还原稳定性问题，也未研究铂胶体与IrO2表面之间的pH依赖性静电耦合效应，因此在提升铂的分散性和负载效率方面仍有很大改进空间[2,22,28]。
本文介绍了一种用于集成式再生燃料电池氧电极的铂/IrO2双功能催化剂，该催化剂是通过基于静电作用的多元醇工艺制备的，旨在解决上述问题。首先，研究确定了在多元醇条件下影响IrO2化学稳定性的关键因素，并找到了一种能够抵抗还原溶解的IrO2载体制备方法。其次，根据IrO2载体和铂胶体的Zeta电位来优化多元醇反应的pH值，从而增强两者之间的静电吸引力，实现铂的均匀沉积。最终得到的催化剂中，超细铂纳米颗粒均匀分布在IrO2表面，且铂与IrO2之间存在较强的电子相互作用。与相同成分的常规物理混合物相比，这种集成结构在单电池集成式再生燃料电池运行中表现出更强的双功能活性和更高的往返效率。
