飞秒时间尺度上的质子–电子时间不同步使质子交换膜电解槽可用抗腐蚀低铱阳极

为什么保护清洁氢设备很重要

利用可再生电力从水中制氢是储存清洁能源的最有前景途径之一。用于此的主流技术是质子交换膜（PEM）水电解槽，它能够在高功率下运行并快速响应阳光和风力的变化。但在阳极一侧驱动产氧反应的金属涂层既昂贵又容易缓慢溶解。本研究揭示了阳极表面在开机后的极短时间内（万亿分之一秒的极小分数）发生的过程，并展示了如何重新设计该表面，从而在保持工业级性能的同时大幅减少贵金属的损失。

当今水分解器中的隐性薄弱环节

大多数商业装置依赖氧化铱作为阳极催化剂，因为它能比几乎所有其他材料更好地在强酸性环境中存活。然而，当工程师试图减少铱的用量以降低成本时，涂层会更快腐蚀。早期工作指出一种高度氧化的铱态（通常写作+6价的Ir）是关键罪魁，因为它容易溶解到液相中。然而，现有的测量工具太慢，无法在器件开机瞬间看到这种态如何形成与消失，因而腐蚀的真正起因长期存在争议。本文通过观察电子和质子在飞秒——即百万分之一的十亿分之一秒——时间尺度上的运动来解决这一长期未决的问题，这正是化学键实际形成与断裂的时间尺度。

在飞秒尺度上观察电荷移动

研究人员搭建了一个定制装置，将工作电解极与超快激光脉冲耦合。一个激光脉冲短暂激发催化剂，另一个在精确延迟的时刻跟随，用以追踪其光吸收的变化。这些微妙的颜色变化显示了电子的位置以及液相中邻近质子的响应。对于商业氧化铱，团队发现一旦施加驱动电压，电子便离开铱中心，而质子几乎在同一时刻在表面积聚——约在100飞秒以内。计算显示，当电子和质子同时存在时，在晶格中产生空位变得容易得多。这些空位是原子从固体进入溶液的指纹，意味着完全同步的质子与电子运动会直接促进腐蚀。

一种将步骤分离的新途径

基于这一洞见，作者寻求一种方法来加速质子运动，使其不会在错误的时间在错误的地点堆积。他们将氧化铱与少量氧化铈混合，后者是一种所谓的路易斯酸性氧化物，能够温和地吸引并沿其表面导质子。详尽的测试表明，约含10%氧化铈的配方给出最佳效果。所加的氧化物并非主要改变铱的电子结构，而是为质子开辟了一条柔和的通道，使其迅速远离铱位点。超快测量显示出显著的时间学变化：电子仍在首100飞秒内移动，但来自表面质子的明确信号现在延后至100–300飞秒之间。这种时间上的“不对齐”阻止了质子与高度氧化的铱共存，使空位形成在能量上变得昂贵，从而强烈抑制了溶解。

从微观时间尺度到实际耐久性

为将这些超快快照与器件行为相关联，团队结合了多种互补技术。在脉冲电压下的紫外–可见光谱显示，掺杂氧化铈的铱氧化物能够存储更多所需的活性铱态而不被副反应耗损。石英晶体微平衡仪测量和同位素追踪实验证实，质子转移（包括较重的氘离子移动）在改性催化剂中显著更快。当将其构建到完整的膜电极组件并在现实水电解槽中测试时，新阳极在低于标准氧化铱的工作电压下仍能提供高电流密度——高达3安/平方厘米，且使用的铱更少。更为显著的是，这些电池在约1400小时内稳定运行，并承受了数万次快速启停循环和模拟的昼夜太阳模式而无明显退化。

对未来清洁能源系统的意义

通俗地说，该研究表明这些装置中的腐蚀是在开机后的最初瞬间触发的，即质子和电子同时到达铱表面时。通过引入一种精心选择的氧化物作为质子高速通道，研究者们有意在两者之间引入微小的时间延迟，打破了这种破坏性的“搭档关系”。这一简单的时间调整使工程师能够在仍然构建出鲁棒且寿命长的水分解器的前提下大量减少铱的用量。超越单一材料，这项工作证明了“电荷何时移动”可以与“移动多少”同等重要，从而为旨在将可再生电力转化为清洁燃料和化学品的电化学技术开辟了一条新的设计原则。

引用: Shen, W., Gao, FY., Sun, X. et al. Proton–electron temporal asynchrony on femtosecond timescales enables anti-corrosive low-iridium anodes for PEM electrolysers. Nat. Nanotechnol. 21, 598–605 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02136-x

关键词: 制氢, 水电解, 催化剂腐蚀, 超快光谱学, 清洁能源材料