一、研究背景

与其他二次能源相比，氢的温室气体排放量最小，具有可持续性，因此目前被认为是一种非常有前途的清洁能源载体电化学水分解作为一种高效、环保的制氢方法，受到了广泛的关注和研究。在各种方法中，质子交换膜水电解槽（PEMWEs）由于其高能效和快速系统响应的优势而显示出巨大的潜力。尽管碱性电解在工业制氢中的广泛发展和商业可用性，但PEMWEs具有更好的前景。然而，商业PEMWEs的广泛实施仍然受到OER的阻碍，OER是一种四电子和四质子耦合的电化学反应，需要大量的能量成本（即高过电位）来克服相对缓慢的反应动力学此外，高腐蚀环境（pH≤1）加剧了机械剥落和衬底腐蚀，而强氧化工作条件损害了阳极电催化剂的稳定性。所有这些因素都给当前阶段的PEMWEs设计带来了重大挑战。铱仍然是最适合用于酸性电解质的催化材料之一，因为在碱性环境中长时间保持高活性的非贵金属在酸性条件下会显着降低活性和稳定性。然而，铱的高度稀缺性和成本限制了它的大规模使用；因此，进一步延长铱的使用寿命和降低铱的负荷量仍然是一个长期目标。

迄今为止，大量的研究工作已经致力于OER电催化剂的设计和开发，以提高电极动力学，化学稳定性和电催化耐久性。保护金属活性位点不受化学攻击的一种可行方法是形成一个由有机分子或碳组成的保护壳。相关的制备方法可分为固相、液相和气相合成三种。碳材料，如碳纸、石墨烯和碳纳米管，由于其成本适中、易于获得、高导电性和高可塑性而被广泛应用于封装金属活性位点的衬底。

在本研究中，采用快速焦耳加热设备技术（RJH）直接将铱盐前驱体转化为铱纳米粒子（记为Ir NPs），并将其装载到易得的碳纸（记为CP）上，获得了不同加热时间的Ir-RJH-X样品（X代表加热时间(s), X = 1,10,30…）。结果表明，碳纤维表面的碳原子能够迁移并均匀地覆盖在碳纤维上密集分布的铱颗粒上。在较短的加热时间内（工作范围：1-150 s）的调节对样品的OER性能有显著影响。同时，将铱粒子与碳纤维表面相互作用的反应动力学延迟到“最低温度”，使观察窗口成功扩展到150 s的水平，并利用丰富的透射电镜（TEM）图像间接观察了铱粒子生成和碳壳演化的不同阶段。通过对氩等离子体轰击和管炉热处理制备的样品形貌的对比观察，进一步证实了快速、高的热输入和精确的能量控制是瞬态碳涂层工程的必要条件。

二、摘要

设计高效稳定的析氧反应（OER）催化剂，提高质子交换膜水电解槽的性能，对发展绿色氢具有重要意义。核-壳结构的建立是促进活性位点高效稳定的典型方法。这项工作提出了一种合成催化剂的新方法，利用一种可靠、低成本、超快的焦耳加热设备方法来构建碳壳，该碳壳可以均匀地锚定并封装铱纳米颗粒到碳纸上。成功地演示了铱粒子生成和碳壳演化的整个过程，并通过与常规氩等离子轰击和管炉热处理制备的样品进行系统比较，证明了快速、高热量输入和精确的能量控制是瞬态碳涂层工程的必要条件。当在电解槽中组装时，cirr - rjh -30||Pt/C电解槽可以在100 mA cm−2的恒定电流密度下稳定工作约400 h，而cirr -等离子||Pt/C， cirr -热||Pt/C和IrO2||Pt/C电解槽分别在25.9 h， 21.1 h和45.5 h后完全失去了水的电解能力。这些结果证明了焦耳加热形成的核壳结构在改善催化剂性能方面的有效性。

三、结论

综上所述，cirr - rjh -30是通过快速焦耳加热将铱盐前驱体转化为单质铱纳米颗粒，直接装载在碳纤维上，并激活碳原子来包裹和锚定铱颗粒来合成的。TEM图像揭示了铱粒子生成和碳壳演化的全过程。与快速焦耳加热相比，其他传统热处理工艺进一步证实了精确控制和快速的高热输入对于驱动碳层封装Ir颗粒至关重要。完整的核壳结构使cirr - rjh -30具有0.21±0.01 mg cm - 2的超低铱负载，OER性能优异，只需228 mV过电位即可驱动10.0 mA cm - 2，并在450 mV过电位下提高了1912.5 a gIr - 1的高质量活性。应用于PEM电解槽的cirr - rjh -30在100 mA cm−2的恒定电流密度下运行，在约400小时内没有观察到明显的活性损失。本研究结果不仅为其他金属与碳壳之间的相互作用过程提供了可扩展的参考，而且为催化剂-衬底集成、形态设计和高效OER催化剂的快速合成提供了独特的方法。

图1.合成路线及形态表征。(a) cirr - rjh -30的合成过程示意图。(b) ir - rjh -30的XRD谱图。(c) ir 4f的高分辨率XPS光谱。(d)焦耳加热前后碳纤维表面sem图像。(e) HAADF-STEM图像。(f)在(e)中用黄色箭头表示的TEM-EDS线扫描铱和碳的强度谱。(g)铱核-碳壳结构的元素映射。

图2.铱核-碳壳结构的演化示意图。（a1） - (e1)加载在石墨层上的核壳结构粒子生成的三维示意图。（a2） - (e2)碳封装工程各阶段二维截面。（a3） - (e3) HAADF-STEM图像。（a4） - (e4)第三条线衍生的放大细节图像。