Protonenuitwisselingsmembraan (PEM)De technologie voor waterelektrolyse kan direct worden gekoppeld aan fluctuerende hernieuwbare energiebronnen voorwaterstofproductie. Deze aanpak zorgt niet alleen voor netveiligheid, maar maakt ook de herverdeling van hernieuwbare bronnen mogelijk, waardoor het een cruciale technologische basis is voor het bereiken van koolstofneutraliteit. Echter, vanwege de zure omgeving vanPEM-waterelektrolyse, de technologie is momenteel sterk afhankelijk van iridium, een edelmetaal dat stabiel is onder zure omstandigheden, als anodekatalysator. Iridium is een van de zeldzaamste grondstoffen op aarde, met een jaarlijkse productie van slechts 6-8 ton, en de schaarste ervan vormt een aanzienlijke uitdaging voor het opschalen van PEM-gebaseerde waterstofproductie.
Als reactie hierop ontdekte en benutte het onderzoeksteam onder leiding van Ryuhei Nakamura een speciale affiniteit tussen mangaan (Mn) en iridium (Ir), en ontwikkelde een zeer stabiele, atomair verspreide hexavalente iridiumkatalysator (IrVI-ado). Deze nieuwe katalysator behoudt een hoge activiteit en stabiliteit terwijl de iridiumlading wordt teruggebracht tot onder de 0,1 mg/cm², meer dan 95% lager dan de huidige iridiumlading in PEM-waterelektrolyse (2-4 mg/cm²). Vergeleken met de veelgebruikte Ir⁴⁺-katalysatoren heeft deze nieuwe katalysator een hogere valentietoestand (Ir⁶⁺) en is atomair verspreid op het oppervlak van γ-MnO₂. De Ir⁶⁺-toestand verbetert de intrinsieke activiteit en stabiliteit van iridium, terwijl dispersie op atomair niveau bijna 100% benutting van iridium mogelijk maakt. Het team voerde een uitgebreide analyse uit van de synthese, structurele kenmerken en PEM-waterelektrolyseprestaties van de Ir-katalysator. Daarmee werd de interactie tussen Mn en Ir duidelijk en werd de superieure prestatie van de katalysator met een iridiumbelasting van minder dan 0,1 mg/cm² in PEM-elektrolysers aangetoond.
De onderzoeksresultaten werden gepubliceerd inWetenschaponder de titel "Atomically Dispersed Hexavalent Iridium Oxide from MnO₂ Reduction for Oxygen Evolution Catalysis." De corresponderende auteurs zijn Ailong Li en Ryuhei Nakamura, met Ailong Li en Shuang Kong als de eerste auteurs.
