新闻网讯 近日，我院中方导师、化学与化工学院王得丽教授团队在质子交换膜电解水制氢领域取得新进展，相关研究成果在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）在线发表，题为“Long-Range Atomic Periodicity Unlocks Durable Water Electrolysis”。该工作提出以长程原子周期性调控异原子键密度的新策略，实现了超低铱负载下酸性析氧反应活性与稳定性的同步突破，为质子交换膜水电解技术的规模化应用提供了全新的材料设计思路。

质子交换膜水电解是可再生能源制绿氢的核心技术之一，但阳极析氧反应本征动力学缓慢，且强酸性、强氧化的严苛工况易导致铱基催化剂溶解流失、结构降解，是制约电解槽长周期运行的核心瓶颈。当前商用铱基催化剂不仅铱用量远高于产业规模化目标，还普遍面临高电位下结构重构失控、稳定性衰减快的问题。此前该团队提出强异原子键诱导表面受限重构策略，有效提升了Ir-Mn金属间催化剂的运行稳定性。在此基础上，团队进一步从原子长程有序性的本质维度出发，探究异原子键密度与催化剂本征稳定性的关联，以期实现更低铱负载、更长寿命的阳极催化剂开发。

研究团队以Ir3V金属间化合物为研究对象，通过理论计算与实验验证相结合，系统揭示了长程原子排列对催化界面稳定性的调控机制。密度泛函理论计算表明，随着原子有序度提升，Ir-V强异原子键密度显著增加，一方面优化了Ir活性位点的d带中心，降低OER反应决速步能垒，提升本征催化动力学；另一方面大幅提高了Ir和V原子的脱溶出能垒，从热力学根源上抑制活性金属的溶解流失。晶体轨道哈密顿布居结果分析进一步证实，高有序的原子网格结构形成了更强的连续金属键合网络，为催化界面提供了稳定的骨架支撑，有效抵御酸性氧化环境下的结构侵蚀。

实验上，团队通过精准调控退火工艺制备了系列不同长程有序度的Ir3V催化剂，验证了异原子键密度与OER性能的正相关规律。结合原位拉曼、原位差分电化学质谱、X 射线光电子能谱等多尺度表征，团队进一步阐明了长程有序结构的深层稳定化机制。高密度Ir-V异原子键构成的刚性原子网格，一方面在反应初期抑制Ir活性位点的直接溶出，另一方面在表面重构过程中有效遏制晶格氧的持续参与，驱动反应机制从晶格氧机制（LOM）向吸附演化机制（AEM）转变，避免了晶格氧过度消耗引发的结构崩塌；同时有序金属间内核与表面重构氧化层之间存在强电子相互作用，抑制了高电位下的过氧化溶解路径，实现了催化层的动态自稳定（如图1所示）。

图1. Ir3V金属间化合物原位催化演变机理及电解槽性能示意图

在实际PEM电解槽单池测试中，该催化剂展现出优异的工程应用潜力。在仅0.11 mgIr cm-2的超低铱负载下，80 oC工作温度时，3.0 A cm-2工业级电流密度对应的槽电压仅为1.844 V，优于商用IrO2催化剂；在1.0~2.0 A cm-2的动态电流循环工况下，器件稳定运行超过2500小时，性能衰减速率仅为5.8 μV h-1，达到目前同类研究的领先水平。经测算，系统制氢成本约为0.978美元/公斤氢气，低于美国能源部2030年1美元/公斤氢气的目标，具备显著的工业化应用价值。

该工作首次在原子层面建立了异原子键密度与酸性OER催化剂稳定性的定量关联，提出了长程原子周期性的催化剂稳定化新策略，突

破了传统合金催化剂重构失控、稳定性不足的局限。这一成果不仅为低铱、高稳定阳极催化剂的理性设计提供了全新的原子级视角，也为下一代长寿命、低成本PEM水电解系统的开发奠定了重要的理论与实验基础。

图2. 王得丽教授（右一）指导学生

我校为该项工作的第一完成单位及通讯单位，化学与化工学院博士生王双为该论文的第一作者，王得丽教授为论文唯一通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、华中科技大学基础研究支持计划、新能源化学与器件111引智计划的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie. 2858393