DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-026-02136-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41760959
تاريخ النشر: 2026-02-27
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون محفزًا جديدًا يتكون من أكسيد السيريم الحمضي لويس (CeO₂) مدمجًا مع أكسيد الإيريديوم (IrO₂) لتعزيز حركية نقل البروتونات والإلكترونات على مقياس زمني فمتوثاني. يسمح هذا النهج المبتكر بتحفيز مستقر مع تقليل كبير في تحميل الإيريديوم. تشير النتائج التجريبية إلى أن CeO₂ يسهل تسريع نقل البروتونات بينما يفصل بين عمليات نقل البروتونات والإلكترونات في مسار زمني غير متزامن، حيث يحدث نقل الإلكترون في أقل من 100 فمتوثانية ونقل البروتون يتجاوز 100 فمتوثانية. هذا الفصل يقلل بشكل فعال من أكسدة الإيريديوم والتآكل.
أظهر محفز CeO₂-IrO₂ أداءً مثيرًا للإعجاب، حيث حقق كثافة تيار تبلغ 3 A cm⁻² عند 1.93 V مع تحميل إيريديوم ضئيل قدره 0.5 mg cm⁻²، وحافظ على استقرار تشغيلي لمدة تقارب 1,400 ساعة في التحليل الكهربائي للماء بغشاء تبادل البروتونات (PEMWE). لا تؤسس هذه الأبحاث فقط إطار تصميم زمني لتطوير محفزات منخفضة الإيريديوم مناسبة للتطبيقات الصناعية، بل تقدم أيضًا رؤى لفهم الآليات المعقدة للأنظمة الكهروكيميائية متعددة الطور، بما في ذلك تقليل ثاني أكسيد الكربون والبطاريات السائلة.
نقاش
في هذه الدراسة، طور المؤلفون مطياف الامتصاص الانتقالي الكهروكيميائي فمتوثانية (fs-ECTAS) للتحقيق في آليات تآكل محفزات IrO₂ التجارية أثناء تفاعل تطور الأكسجين (OER). سمحت التقنية بمراقبة الحالات الإلكترونية الانتقالية وعمليات نقل الشحنات الواجهة على مقاييس زمنية فائقة السرعة، مما كشف أن الوجود المتزامن للبروتونات والإلكترونات يقلل بشكل كبير من طاقة تشكيل الفراغات الكاتيونية، مما يعزز إذابة Ir. تبرز الدراسة عدم كفاية الطرق الطيفية التقليدية، التي تعمل على مقاييس زمنية من مللي ثانية إلى ميكرو ثانية، في التقاط الديناميات السريعة لعمليات نقل الإلكترون المرتبطة بالبروتون (PCET) الضرورية لفهم استقرار المحفز.
لتقليل تآكل Ir، قام المؤلفون بتخليق محفز مركب من CeO₂ وIrO₂، والذي أظهر تحسينًا في حركية نقل البروتونات والاستقرار تحت ظروف التشغيل. سهل مكون CeO₂ هجرة البروتونات بسرعة وفصل حركية نقل البروتونات والإلكترونات، مما أدى إلى عدم تطابق زمني قمع أكسدة Ir وإذابة. أظهرت اختبارات الأداء أن محفز CeO₂-IrO₂ حقق كثافة تيار تبلغ 3 A cm⁻² عند جهد 1.93 V مع تحميل Ir منخفض قدره 0.5 mg cm⁻²، مع الحفاظ على الاستقرار لمدة تقارب 1,400 ساعة في جهاز تحليل كهربائي للماء بغشاء تبادل البروتونات (PEMWE). تقدم هذه الأعمال تقدمًا كبيرًا في تصميم المحفزات، مما يوفر رؤى حول الديناميات الفائقة السرعة للتفاعلات الكهروكيميائية ويؤسس إطارًا لتطوير محفزات منخفضة الإيريديوم مناسبة للتطبيقات الصناعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-026-02136-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41760959
Publication Date: 2026-02-27
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
In this study, the authors present a novel catalyst composed of Lewis acidic cerium oxide (CeO₂) integrated with iridium oxide (IrO₂) to enhance the kinetics of proton-electron transfer on a femtosecond timescale. This innovative approach allows for stable catalysis with significantly reduced iridium loading. The experimental findings indicate that CeO₂ facilitates accelerated proton transfer while decoupling the proton and electron transfer processes into a temporally asynchronous pathway, with electron transfer occurring in less than 100 femtoseconds and proton transfer exceeding 100 femtoseconds. This decoupling effectively mitigates iridium oxidation and corrosion.
The CeO₂-IrO₂ catalyst demonstrated impressive performance, achieving a current density of 3 A cm⁻² at 1.93 V with a minimal iridium loading of 0.5 mg cm⁻², and it maintained operational stability for approximately 1,400 hours in proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE). This research not only establishes a time-resolved design framework for developing low iridium catalysts suitable for industrial applications but also provides insights into the mechanistic understanding of complex multiphase electrochemical systems, including carbon dioxide reduction and liquid-phase batteries.
Discussion
In this study, the authors developed femtosecond electrochemical transient absorption spectroscopy (fs-ECTAS) to investigate the corrosion mechanisms of commercial IrO₂ catalysts during the oxygen evolution reaction (OER). The technique allowed for the observation of transient electronic states and interfacial charge transfer processes on ultrafast timescales, revealing that the simultaneous presence of protons and electrons significantly lowers the cationic vacancy formation energy, thereby promoting Ir dissolution. The study highlights the inadequacy of traditional spectroscopic methods, which operate on millisecond to microsecond timescales, in capturing the rapid dynamics of proton-coupled electron transfer (PCET) processes essential for understanding catalyst stability.
To mitigate Ir corrosion, the authors synthesized a composite catalyst of CeO₂ and IrO₂, which demonstrated enhanced proton transfer kinetics and stability under operational conditions. The CeO₂ component facilitated rapid proton migration and decoupled the kinetics of proton and electron transfer, leading to a temporal mismatch that suppressed Ir oxidation and dissolution. Performance testing revealed that the CeO₂-IrO₂ catalyst achieved a current density of 3 A cm⁻² at a voltage of 1.93 V with a low Ir loading of 0.5 mg cm⁻², maintaining stability for approximately 1,400 hours in a proton exchange membrane water electrolyzer (PEMWE). This work presents a significant advancement in catalyst design, providing insights into the ultrafast dynamics of electrochemical reactions and establishing a framework for developing low-Ir catalysts suitable for industrial applications.