在设计用于质子交换膜(PEM)水电解槽的酸性析氧反应(OER)电催化剂时，活性、稳定性和材料成本是三个关键因素。氧化铱(IrO_x)基材料是目前最好的酸性OER电催化剂，能够满足苛刻操作条件下的稳定性要求。然而，Ir的高成本和稀缺性限制了IrO_x的大规模应用。因此，开发合理的策略来降低IrO_x基催化剂上Ir负载量，同时保持其在酸性环境中的催化活性和稳定性是非常必要的。

基于此，哥伦比亚大学陈经广和刘萍等基于密度泛函理论(DFT)预测以及薄膜和纳米粒子的概念验证实验，建立了一个设计活性和稳定的酸性OER材料的框架。具体而言，在TiN载体上选择了一个部分氧化的Ir (IrO_x)覆盖层用于DFT计算，以减少Ir负载到几个单分子层，同时保持相似数量的活性位点。

本文使用*OH的结合能作为IrO_x/TiN的OER反应描述符，发现可以通过将Ir的覆盖范围从一层增加到三层(MLs)来提高OER活性，并且通过实验合成的IrO_x/TiN膜催化剂证实了这一趋势。IrO_x/TiN纳米粒子表现出优异的酸性OER性能，在10 mA cm⁻²下需要的过电位仅为293 mV，可连续稳定运行250 h；同时，Ir负荷为40 μg_Ir cm⁻²的IrO_x/TiN的质量活性达到270.8 A g_Ir⁻¹，显着高于商业IrO₂。

此外，在含有IrO_x/TiN催化剂(0.2 mg cm⁻²低Ir负载)的质子交换膜电解槽(PEMWE)电池中，只需要1.69 V即可达到1 A cm⁻²的电流密度。原位XAS进一步揭示了在OER条件下Ir向IrO_x的转变，以及Ir-Ti键的存在，突出了IrO_x和TiN之间的相互作用。根据DFT结果，Ir-Ti键调整了IrO_x层上*OH的结合强度，导致了比大块IrO₂更高的OER活性，同时在酸性OER条件下仍保持高稳定性。

总的来说，这项研究强调了理论预测和实验研究相结合的重要性，有助于促进开发商业上可行的粉末基纳米颗粒OER催化剂，提高反应活性和稳定性。

Theoretical prediction and experimental verification of IrO_x supported on titanium nitride for acidic oxygen evolution reaction. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c02936