近日，我所催化基礎國家重點實驗室、太陽能研究部韓洪憲研究員和李燦院士團隊與日本理化學研究所(RIKEN)Ryuhei Nakamura教授研究團隊合作，在酸性條件下非貴金屬電催化分解水研究方面取得新進展，相關研究成果發表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。
將太陽能轉化為俗稱“液態陽光”的“太陽能燃料”，是應對未來化石燃料枯竭和氣候變化的重要可再生能源策略。近年來，太陽能等可再生能源發電逐步成為最為廉價的發電技術。利用光伏發電驅動電解水(PV-E)制氫，是目前最為可行的大規模可再生能源制氫技術之一。在眾多電解水技術中，質子交換膜(PEM)電解水技術受到廣泛關注。但是迄今為止，只有貴金屬IrOx能在PEM酸性環境和陽極極化條件下穩定分解水，這極大限制了PEM電解水技術的大規模應用。因此，開發能夠取代貴重金屬Ir的廉價、高效、酸性穩定的析氧(OER)催化劑，對發展PV-PEM大規模制氫技術尤為重要。太陽能研究部長期致力于光催化、光電催化和電催化分解水技術：在電催化方面，相繼發展了鎳鐵氫氧化物(Angew. Chem. Int. Ed.，2014;J. Am. Chem. Soc.，2016)，多金屬雙功能催化劑FeCoNi(ACS Catal.，2018)，CoOx納米顆粒催化劑(Chem. Sci.，2017), 單核錳水氧化催化劑(Nature Catalysis，2018)等分解水電催化劑。然而，這些催化劑均面臨酸性條件下穩定性不高問題。
目前，尚沒有關于在酸性條件下長壽命穩定分解水的非貴金屬電催化劑的相關報道。本工作中，科研人員發現γ-MnO2在特殊電位窗口范圍內，可實現酸性條件下穩定的水分解性能，并實現了8000多小時的穩定性測試。該合作研究團隊利用原位光譜電化學等分析方法，系統地研究了γ-MnO2在酸性條件下電催化水氧化反應的活性、穩定性等問題，確定了γ-MnO2酸性條件下分解水的活化、水氧化反應和腐蝕失活反應的三種電勢相關性。實驗表明，控制電解水反應在一定的OER電位窗口范圍內進行是γ-MnO2在酸性條件下穩定工作的一個必要條件。這一工作為發展能夠取代IrOx的過渡金屬基的廉價、穩定高效的OER電催化劑提供了新的思路。
該工作得到了國家自然基金委項目、科技部重點研發計劃納米科技專項、RIKEN國際項目助理研究計劃(IPA)等資助。這也是獻禮我所七十周年所慶文章之一。
