在酸性介质中，析氧反应（OER）电催化剂通常是贵金属氧化物，如Ru或Ir氧化物。氧化钌具有较高的催化活性，但稳定性较差。研究表明，氧化铱在酸性OER中能够同时平衡活性和稳定性。然而，Ir资源的稀缺性导致的高成本，限制了其在能源转换和储存方面的应用。因此，在不降低活性的情况下减少电极上Ir的负载量是研究的重点。

由Ir-M（M是一种廉价的过渡金属）核和IrOx壳组成的核-壳纳米结构被认为是提高Ir质量活性的高效材料，因为这种结构的壳表面有更多的Ir原子可以被利用作为反应位点。核-壳结构的另一个优点是，表面IrOx位点本征的OER活性可以通过由底层含有贱金属的原子层造成的电子效应和应变效应大大增强。此外，近年来对结构有序合金即金属间化合物的研究在热催化和电催化领域引起了广泛关注，因为金属间化合物的确定的组成和结构可以为催化过程提供具有原子级精度的研究。

我们设计了以有序结构的IrGa合金（IrGa-IMC）为核和部分氧化的Ir（IrO_x）为壳组成的金属间化合物核-壳OER催化剂。将前驱体金属间化合物IrGa通过电化学脱合金和电氧化制备IrGa-IMC@IrO_x核-壳型催化剂。我们合成的IrGa-IMC@IrO_x催化剂在0.1 M HClO₄介质中展现出高的OER活性，约使用19 μg•cm⁻²的Ir只需要272 mV的过电势就能达到10 mA cm-2的电流密度，对应的质量活性在电压为1.52 V时达到841 A•g_Ir⁻¹，是商业Ir/C-20（232 Ag_Ir⁻¹）的3.6倍。密度泛函理论（DFT）计算表明，IrGa-IMC@IrO_x提高OER的活性主要与IrGa-IMC层诱导优化表面IrO_x位点的电子结构有关。IrGa-IMC核提高了表面IrO_x位点上Ir 5d电子的简并性，增加了Ir 5d和O 2p轨道相对于纯Ir的重叠积分，电子相互作用的增强提高了IrO_x层对O和OH结合的吸附能力，从而加速了OER的决速步并提升OER的活性。

图1 (a)IrGa-IMC、IrGa和商业Ir/C-20催化剂的XRD花样；(b-d)IrGa-IMC催化剂的HAADF-STEM、TEM图像和STEM-EDS元素分布图。

图2 IrGa-IMC的(a-b)球差校正的HAADF-STEM图像；(c-d)放大的HAADF-STEM图像和重叠的Ir和Ga原子示意图；(e-f)晶格间距图。

图3 (a)通过电化学氧化过程形成壳为IrO_x的Ir基核-壳电催化剂的示意图；IrGa-IMC@IrO_x催化剂的(b)HAADF-STEM、(c)STEM-EDS元素分布图和(d)线扫图。

图4 (a)室温下IrGa-IMC@IrO_x、IrGa@IrO_x、Ir@IrO_x和IrO₂在0.1 M HClO₄下的OER极化曲线；(b)由(a)中相应的极化曲线得到的Tafel图；电势为1.52 V下的(c)质量活性对比和(d)比活性；不同文献中0.1 M HClO₄溶液中不同贵金属基OER催化剂(e)在1.52 V下的质量活性和(f)在10 mA•cm⁻²时的过电位-贵金属载量图。

图5 (a)理论过电位与标准自由能ΔG(*O) − ΔG(*OH)的关系图；(b)酸性电解液中在IrO_x表面上的OER过程示意图。橙色、蓝色和红色小球分别代表Ir、O和H原子；(c)OER在IrGa-IMC@IrO₂（红线），Ir@IrO₂（蓝线）和IrO₂（黑线）衬底上的能量分布（U = 1.53 eV vs NHE）；(d)Ir@IrO₂（上图）和IrGa-IMC@IrO₂（下图）的pDOS图，显示Ir 5d（红色）和O 2p（蓝色）的重叠状态。

第一作者为中国科学技术大学化学与材料科学学院博士陈林维和量子信息重点实验室博士何傅翔；通讯作者为何力新教授和梁海伟教授。

Lin-Wei Chen, Fuxiang He, Ru-Yang Shao, Qiang-Qiang Yan, Peng Yin, Wei-Jie Zeng, Ming Zuo, Lixin He^* & Hai-Wei Liang*. Intermetallic IrGa-IrO_x core-shell electrocatalysts for oxygen evolution. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3778-0.