研究背景：
随着全球“双碳”目标的推进，利用可再生能源驱动的水电解制氢技术，尤其是质子交换膜水电解器（PEMWE），因其高电流密度、快速响应等优势，被视为连接间歇性可再生能源与绿色氢能的桥梁。然而，PEMWE阳极所面临的强酸性、强氧化性环境，对析氧反应（OER）催化剂提出了严苛的挑战。
目前，商业PEMWE仍高度依赖载量高达1-2 mg cm⁻²的铱基催化剂（如IrO₂）。铱的稀缺性和高昂成本严重制约了PEMWE的大规模商业化。因此，如何在不牺牲催化性能的前提下，大幅降低铱的用量，成为该领域的核心攻关方向。
一个极具前景的策略是将铱以单原子形式分散在储量丰富的过渡金属氧化物载体上。其中，具有独特尖晶石结构的Co₃O₄因其可容纳异质原子进入其八面体（O_h）或四面体（T_d）位点，而备受青睐。然而，直接将铱引入O_h位点会因尺寸不匹配导致晶格畸变，使得Ir-O-Co结构在工业级大电流密度下极易发生键断裂和金属溶出。近期研究也表明，简单地将Mn掺杂到Ir-Co₃O₄表面或过量引入，并不能保证长期的稳定性，甚至可能引发Jahn-Teller畸变导致结构重构。
核心问题： 如何在原子级别精确调控Ir在尖晶石晶格中的局域配位环境，以增强金属-金属耦合、抑制结构畸变，从而实现长效稳定且高活性的低铱OER催化剂？
研究内容：不对称配位环境赋能，活性与稳定性双丰收
针对上述难题，中国科学院深圳先进技术研究院的成会明院士、金桓宇研究员、李海晶副研究员与深圳大学的余慧敏教授团队合作，在《美国化学会志》（JACS）上发表了题为“Coordination Asymmetry Stabilizes a Low-Iridium Cobalt Spinel Oxide Anode for Durable Proton-Exchange Membrane Water Electrolysis”的研究论文。
创新思路： 该研究创造性地提出了“配位不对称性”策略。通过将Mn和Ir同时精准地共掺杂到Co₃O₄的八面体（O_h）位点，构建了一个强耦合的Ir-Mn-Co局域环境，成功抑制了Mn³⁺引发的Jahn-Teller畸变，并稳定了尖晶石基质，最终形成了高性能的Ir₀.₁Co₁.₉₃Mn₀.₉₇O₄催化剂。
催化反应活性与稳定性：
1.本征活性优异：
o过电位极低： 在0.5 M H₂SO₄电解液中，达到10 mA cm⁻²和100 mA cm⁻²电流密度所需的过电位仅为202 mV和265 mV，性能远超对比样品：Ir₀.₁Co₂.₉O₄（238 mV/303 mV）、Co₂MnO₄（347 mV/478 mV）和商业IrO₂（274 mV/339 mV）。
o动力学加速： Tafel斜率低至59.8 mV dec⁻¹，远低于Co₂MnO₄（99.9 mV dec⁻¹）和商业IrO₂（64.2 mV dec⁻¹），表明其具有更快的OER反应动力学。
o超高原子利用率： 在1.53 V vs. RHE电位下，其质量活性高达1667 mA mg_Ir⁻¹，是商业IrO₂的12倍，将贵金属原子的利用率最大化。其转化频率（TOF）达到0.3332 s⁻¹，是Ir₀.₁Co₂.₉O₄（0.037 s⁻¹）的约10倍。
2.长程稳定性卓越：
o半电池测试： 在50 mA cm⁻²的恒电流密度下，稳定运行超过1160小时，性能衰减极小，显著优于对比催化剂。
oPEMWE器件测试： 在实际PEMWE单电池中，该催化剂作为阳极，在0.5至1.0 A cm⁻²的工业级电流密度下，实现了长达2800小时的稳定运行，降解速率仅为10.8 µV h⁻¹。这一性能超越了目前文献中报道的大多数低铱负载催化剂。
反应机理揭示：
通过同位素标记差分电化学质谱（DEMS）和原位红外光谱（ATR-SEIRAS）等先进表征手段，研究团队揭示了该催化剂遵循一种不同于传统吸附质析出机制（AEM）和晶格氧析出机制（LOM）的“氧化物路径机制（OPM）”。在这种机制下，Ir和Mn相邻位点上形成的氧自由基可以直接偶联形成O-O键，从而绕过了传统AEM中的关键步，极大地提升了反应动力学和结构稳定性。
工作创新点：
1.新策略，新结构： 首次提出并验证了“配位不对称性”策略，通过Ir和Mn共掺杂O_h位点，构建了高不对称的局域配位环境，这是实现催化剂高活性和高稳定性的结构基础。
2.抑制畸变，稳定结构： 成功将Mn的价态稳定在Jahn-Teller非活性的Mn⁴⁺，有效抑制了因Mn³⁺引起的结构畸变，并通过强Mn-O键锚定了尖晶石框架，保护了Ir活性位点。
3.协同催化，路径革新： 揭示了Ir-Mn双位点协同催化下的OPM反应路径，直接O-O偶联的方式绕过了传统单一位点机制的瓶颈，实现了活性和稳定性的双重飞跃。
4.性能卓越，应用突破： 在膜电极（MEA）测试中取得了2800小时的超长寿命，为低铱催化剂在PEMWE中的实际应用树立了新的里程碑。
原文信息
Lei Han, Huimin Yu, Minghui Ning, Zichao Xi, Sangni Wang, Haijing Li, Kai Dong, Jing Peng, Huanyu Jin, and Hui-Ming Cheng，Coordination Asymmetry Stabilizes a Low-Iridium Cobalt Spinel Oxide Anode for Durable Proton-Exchange Membrane Water Electrolysis，Journal of the American Chemical Society，DOI: 10.1021/jacs.6c06762， https://doi.org/10.1021/jacs.6c06762
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