蘇州大學Nat.Commun:亞穩態單斜的氧化銥納米高效電催化析氧

一、【導讀】

? 在酸性電解質中將水電解成清潔和可再生的氫氣是緩解能源和環境保護問題的有效技術之一。陽極析氧反應(OER)的高效電催化劑顯著地提高了能量轉換效率，因為電解水分解的大部分能量消耗發生在陽極。氧化銥(IrO₂)被認為是最先進的OER催化劑，可以承受苛刻的酸性條件。然而，先前報道的IrO₂催化劑對緩慢的OER動力學缺乏較高的本征活性。研究發現構建亞穩態納米結構是一種很有前途的追求卓越催化性能的方法。金紅石相IrO₂的本征活性與[Ir-O₆]單元連接結構以及晶格畸變密切相關。因此，合理設計具有不同單元連接的亞穩態納米結構IrO₂或許是提高OER本征活性的關鍵之一。

二、【成果掠影】

? 近日，蘇州大學邵琪團隊等人成功獲得空間群為C2/m的單斜相氧化銥納米帶，這與具有穩定四方相(P42/mnm)的金紅石氧化銥不同。在酸性條件下表現出遠高于四方相IrO₂的OER活性。文章以“Iridium oxide nanoribbons with metastable monoclinic phase for highly efficient electrocatalytic oxygen evolution”為題發表在Nature Communications上。

三、【核心創新點】

1、作者利用熔融堿機械化學方法，成功通過從單斜相K_0.25IrO₂(2/m(12))前驅體中合成出具有空間群為C2/m的單斜相氧化銥納米帶。

2、密度泛函理論計算表明，IrO₂納米帶在酸性條件下作為電催化劑用于OER時，由于Ir在這種特殊的單斜相結構中較低的d帶中心，IrO₂納米帶的本征催化活性遠高于四方相IrO₂。

四、【數據概覽】

圖1 IrO₂?NR 的形態和結構。（a）顯示 IrO₂ NR 均勻分布的 SEM圖像。(b)單個 IrO₂?NR 的 TEM 圖像。(c)?XRD 圖。（d）?HRTEM 圖像。（e）由 (100) 和 (010) 平面的 HRTEM線掃描圖。（f?）IrO₂?NR 的 HAADF–STEM 圖像。（g）IrO₂?NR、C- IrO₂和 Ir的XANES光譜和(h) FT-EXAFS光譜。(i)典型的長 IrO₂?NR。(j、k)從 a方向和c方向觀察 IrO₂?NR的晶體結構圖。?2023 The Author(s)

圖2 IrO₂?NR 的結構演變。(a、b)由IrCl₃和KOH原料制成K_0.25IrO₂。(c、d)從 K_0.25IrO₂到 IrO₂?NR。紫色、藍色、黃色、綠色和粉紅色的球分別代表 K、Ir、O、Cl 和 H 元素。?2023 The Author(s)

圖3 IrO₂?NR、IrO₂?NS、C-IrO₂和 C-Ir/C在0.5 M H₂SO₄中的 OER 活性。(a?) IrO₂?NR、IrO₂?NS、C-IrO₂和 C-Ir/C樣品的 LSV 曲線。(b)基于BET 面積和 ECSA 面積的質量活度和比活度。(c)?IrO₂?NR、IrO₂?NS、C-IrO₂和 C-Ir/C樣品在10 mA cm^?–2下的計時電位曲線。?2023 The Author(s)

圖4 IrO₂?NR的OER理論分析。（a）在理論計算過程中，IrO₂ NR的晶體結構具有(001)面的暴露邊緣。OER在(?b?)金紅石 IrO₂?(110)和(?c?) IrO₂?NR (100)樣品上的反應機制。（d）對應的 4e^-自由能演化的熱力學圖。（e）比較金紅石IrO₂?和 IrO₂?NR樣品中 Ir 原子的d軌道分布。藍色、黃色和粉紅色的球分別代表Ir、O和H元素。?2023 The Author(s)

五、【成果啟示】

? 綜上所述，作者通過強堿輔助機械熱工藝技術成功合成出一種具有納米帶形態的亞穩態IrO₂。這項研究再次說明納米片形態的二維層狀結構在催化領域的優異性。納米帶和分層結構的結合可能會對未來的應用產生重大影響。通過合理的設計和制造技術，這種組合可能會在散裝材料中產生不存在的異常相，從而為電催化能量轉換反應產生新的活性位點。隨著表面科學、納米科學和納米技術領域的快速發展，以及理論研究的進步，明確的金屬氧化物帶狀納米結構將為下一代固體催化劑的設計鋪平道路。同時這項研究也為深入理解構效關系提供新的依據。

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原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36833-1

本文由K . L撰稿。