中南大學劉敏Angew :原子局部電場誘導的堿性析氫反應界面水定向

圖圖

• 【導讀】

堿水電解是大規模制氫的一種很有前途的方法。在堿性電解質中，作為氫源的水的解離通常被認為是析氫反應（HER）的決速步。堿性電解質中水的緩慢解離過程嚴重限制了HER的動力學。通常，H₂O在催化劑和電解質之間的界面處的取向，包括吸附構型（O_-down或H_-down）和H₂O的H-O-H鍵角，可以直接影響解離過程。因此，調節界面H₂O的取向以促進H₂O的解離是提高HER活性的一種很有前途的方法。

二、【成果掠影】

近日，中南大學劉敏教授利用IrRu雙異核單原子位點（IrRu-DSACs）設計了原子不對稱的局部電場，以調節H₂O的吸附構型和取向，從而優化其離解過程。這項工作為探索單原子位點在堿性析氫反應中的作用提供了一種新的途徑。相關研究成果以“Atomically Local Electric Field Induced Interface Water Reorientation for Alkaline Hydrogen Evolution Reaction”為題在Angewandte Chemie International Edition上發表。

三、【核心創新點】

√通過IrRu雙奇單原子位點（IrRu-DSACs）設計了原子不對稱的局部電場，以調節H2O的吸附構型和取向，在堿性HER過程中在10mA/cm²下表現出10mV的超低過電勢，并且在1A/cm²下在300小時內在MEA中表現出超高穩定性。

?四、【數據概覽】

圖1 （a） CoP和IrRu DSACs的電荷密度分析。（b）通過從頭算分子動力學（AIMD）模擬模擬的界面H₂O取向，以及界面處吸附的H₂O分子在z方向上的統計H和O分布距離（c）。通過DFT計算的CoP和IrRu DSACs上H₂O解離過程（d）的能壘和結構。? 2022?Zhongnan University

圖2 ?（a） IrRu DSACs的STEM圖像。（a1）是IrRu DSACs的低分辨STEM圖像。矩形標記具有不同暴露面的IrRu DSAC的放大區域。（a2）是具有0.26nm的晶格距離的CoP的放大面積。（a3）是具有0.5nm的晶格距離的CoP的放大面積。（b） IrRu DSACs中Ir-Ru對的原子分布。頂部是Ir原子和Ru原子之間距離的集合。底部是Ir和Ru原子距離的統計數據。（c） Ir SAC的Ir L邊緣、Ir箔和IrRu DSAC。（d） Ru SAC的Ru K邊緣、Ru箔和IrRu DSAC。所選區域積分微分相位對比STEM（e），對應的量化電荷密度（f）。IrRu DSACs中Ir-Ru對的總電場和電荷變化（g）。? 2022?Zhongnan University

圖3? IrRu DSACs的原位拉曼光譜（a）和拉曼光譜相應特定峰比峰強度（b）及界面水結構演變（c）。CoP（d）的原位拉曼光譜和和拉曼光譜相應特定峰比峰強度（e）和界面水結構演變（f）。? 2022?Zhongnan University

圖4 所制備的催化劑的電化學極化曲線（a）、Tafel圖（b）和10mA/cm²下的過電位。（c）、（d）Ir-Ru DSACs在1.4和0.3 A/cm²的大電流密度下的加速降解曲線。（e） DSAC采用的MEA模型試驗。（f） IrRu DSACs在MEA中在1A/cm²下的穩定性測試。? 2022?Zhongnan University

五、【成果啟示】

在這項工作中，IrRu DSAC被設計為產生原子不對稱的局部電場，用于調節H₂O的吸附構型和取向，從而促進堿性HER。對于堿性HER，所獲得的IrRu DSACs在10mA/cm²下表現出10mV的超低過電勢，并且在1A/cm²下在300小時內在MEA中表現出超高穩定性。定量結果表明，IrRu DSACs具有4.00e/?²的電荷密度值，這導致了強的原子局域化電場、界面H₂O的重新取向，促進了H₂O的解離，從而獲得更好的HER。該研究結果表明，原子局域電場誘導的水取向是實現高HER活性的有效途徑。

原文詳情：https://doi.org/10.1002/anie.202300873

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