开发和利用氢能是减少对化石燃料依赖和解决环境问题的一个可行的解决方案。在建立氢能经济的过程中，燃料电池起着至关重要的作用。氢氧化物交换膜燃料电池(HEMFCs)与质子交换膜燃料电池(PEMFCs)类似，但使用氢氧化物交换膜具有高成本效益，这是因为其使用无铂族金属(PGMs)阴极电催化剂(例如Ag、Mn-Co氧化物和Fe-N-C)和Ni基的双极板。
然而，HEMFC的高性能阳极仍然依赖于PGMs。此外，当电解液由酸性转为碱性时，铂族金属(例如Pt、Rh、Pd和Ir)的pH值效应会导致氢氧化反应(HOR)动力学显著减慢约2-3个数量级，需要大量铂族金属负载于HEMFCs的阳极上来保证高活性。此外，铂基催化剂的稳定性较差，需要更高的催化剂负载量才能实现稳定的HEMFC，从而进一步增加了成本。因此，开发高效、稳定、低PGM负载量的碱性HOR催化剂是HEMFCs发展的关键。近日，北京化工大学庄仲滨、李晖和特拉华大学严玉山等报道了一种在碳负载Mo2C纳米粒子上的原子分散Ir作为碱性电解质中高活性、稳定的HOR催化剂(IrSA-Mo2C/C)。Mo2C具有很高的稳定性和与PGM的强相互作用，能够使Ir原子分散在六方Mo2C基体中。此外，Mo2C显示出类似铂的电子结构，使Ir具有与中间体独特的结合性能。实验结果表明，IrSA-Mo2C/C催化剂具有优异的HOR活性，比交换电流密度高达4.1 mA cm-2ECSA，并且在50 mVRHE下的质量活性为17.9 A mg-1Ir，比活性和质量活性分别是Ir/C和PtRu/C催化剂的10/12倍和2.6/4.3倍。基于IrSA-Mo2C/C的(阳极PGM负载仅为50 μgIr cm-2)HEMFC可以提供1.64 W cm-2的高峰值功率密度(PPD)，并且在0.65 V的电池电压下达到1.60 A cm-2的高电流密度，优于PtRu/C HEMFC (0.91 W cm-2/0.76 A cm-2)、Pt/C HEMFC (0.51 W cm-2/0.43 A cm-2)和Ir/C HEMFC (0.60 W cm-2/0.49 A cm-2)。此外，IrSA-Mo2C/C在连续运行120小时和30000个循环的加速耐久性试验(ADT)中都表现出良好的稳定性。密度泛函理论(DFT)计算表明，IrSA-Mo2C的Ir 5d轨道表现出大程度的离域化，表明Ir原子具有类金属电子结构，类似于Ir(111)的5d带。并且Mo2C的类Pt电子结构使得分散的Ir中心表现得更像单原子合金，优化了氢氧化物和氢的结合，从而带来高HOR活性。综上，该项工作证实了碳化物可以作为一种优良的载体来容纳原子分散的PGM，这类催化剂在降低电催化反应对PGM的需求方面显示出巨大潜力。Atomically dispersed Iridium on Mo2C as an efficient and stable alkaline hydrogen oxidation reaction catalyst. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-48672-9
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