华东理工大学「国家杰青」杨化桂&刘鹏飞、戴升，新发Angew！

2025年4月21日，华东理工大学杨化桂、刘鹏飞、戴升在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《Leaching-Induced Ti Trapping Stabilizes Amorphous IrO_x for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis》的研究论文，Hao Yang Lin为论文第一作者，杨化桂、刘鹏飞、戴升为论文共同通讯作者。

杨化桂，华东理工大学教授，国家杰出青年科学基金获得者（2017）。1996年学士毕业于青岛大学，1999年硕士毕业于华东理工大学，毕业后留校任职助理研究员；2004年博士毕业于新加坡国立大学，2007年至2008年在澳大利亚昆士兰大学开展博士后工作，2008年进入华东理工大学任职教授。

杨化桂教授以太阳能的转化与存储为基础，围绕光化学能转换功能材料开展研究工作。迄今，已在Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.、Matter、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. In. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文300余篇，受邀在Chem. Rev.等期刊发表特约综述15篇。

刘鹏飞，华东理工大学副教授。2013年、2018年在华东理工大学获学士、博士学位，2018年至2020年在华东理工大学开展博士后工作，毕业后留校工作，在杨化桂教授团队任副教授。

刘鹏飞副教授主要从事新能源电催化材料与器件领域的研究工作，在创制高效催化电极材料、工况环境评价活性结构方法以及电解水制氢/电还原二氧化碳制化学品器件应用等方面取得系列研究结果。

近5年，以第一/通讯作者身份在Chem、Nature Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Matter、Energy Environ. Sci.、Chem Catal.、Adv. Funct. Mater.及Sci. Bull.、Research、Sci. China Mater.等发表SCI论文50余篇；所发表论文被引用7300余次，8篇曾入选ESI高被引论文。

戴升，华东理工大学教授、博士生导师。2009年毕业于清华大学，2014年获清华大学博士学位（导师：朱静院士）；随后先后在密歇根大学、加州大学尔湾分校从事博士后研究；2019年回国加入华东理工大学，担任特聘研究员，2021年晋升为教授。

戴升教授致力于先进催化剂精准结构与构效关系的研究。运用先进电子显微镜表征技术，在原子尺度探究环境与能源催化剂的结构特征与动态演化规律，解析催化剂活性位点与反应机理，明确构效关系。主要研究方向包括：1. 反应进程中催化剂动态过程的原子尺度研究（热催化、电催化动态过程）；2. 电子束敏感催化剂（分子筛、COF/MOF基，等）的精准结构解析；3. 先进能源催化剂（HER、ORR、OER、CO2RR等）的设计合成与构效关系研究；4. 多场耦合原位电镜设备与技术的研发。

戴升教授目前已发表SCI论文150余篇；以第一/通讯作者（共同）身份发表50余篇，包括Nat. Mater., Nat. Catal., Nat. Commun., , J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., PNAS, Chem, Nano Lett.等。

在本文中，作者证明了TiN支撑材料的浸出诱导钛捕集效应可有效稳定电化学氧化的非晶态IrO_x催化剂。

结构表征显示，在OER测试过程中，TiN支撑材料经历了严重的浸出，在IrO_x簇上留下了少量的Ti-O物种，减轻了Ir(III) 物种的过氧化反应，并延长了Ir-O键，

导致晶格氧氧化减少了70%，并大大降低了Ir的浸出。

此外，在质子交换膜水电解（PEMWE）过程中，催化剂层出现了自增厚现象，使催化剂在超低负载量（87 μg_Ir cm^-2）时也能在1.0 A cm^-2的条件下稳定运行500小时。

^{本工作加深了对TiN支撑催化剂在长期稳定OER电催化中应用的理解。}

图1：TiN载体在OER测试中的结构演变

图2：Ir/TiN催化剂的结构表征

图3：Ir/TiN的电催化OER性能

图4：TiN浸出诱导的Ti捕获效应

图5：Ti捕获稳定非晶态IrO_x的机理

图6：PEMWE性能

综上，作者研究了氮化钛（TiN）作为析氧反应（OER）催化剂载体在质子交换膜水电解（PEMWE）中的应用。研究发现，TiN在OER条件下会发生严重浸出，但这种浸出诱导的钛（Ti）捕获效应能够有效稳定电化学氧化后的非晶态IrO_x催化剂。

结果表明，TiN载体的浸出导致少量Ti-O物种附着在IrO_x团簇上，缓解了Ir(III)物种的过度氧化，延长了Ir-O键的键长，从而显著减少了晶格氧的氧化和Ir的浸出。此外，在PEMWE过程中，催化剂层会发生自增厚现象，使得催化剂用量极低（87 μg_Ir cm^-2）时，也能在1.0 A cm^-2的条件下稳定运行500 h。

该研究揭示了TiN载体在OER催化剂中的结构演变，强调了TiN浸出诱导的Ti捕获效应在稳定活性非晶态IrO_x中的关键作用，为设计高性能、低铱用量的PEMWE催化剂提供了新的思路。

这种通过TiN浸出诱导的Ti捕获效应来稳定非晶态IrO_x的方法，为开发高性能、低贵金属用量的PEMWE催化剂提供了新的策略。该方法不仅提高了催化剂的稳定性和活性，还降低了催化剂的用量，有望在实际的PEMWE设备中实现更高效、更经济的水分解制氢。

Leaching-Induced Ti Trapping Stabilizes Amorphous IrO_x for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, Angew. Chem. Int. Ed., 2025. https://doi.org/10.1002/anie.202504212.