Science：高活性IrOx/SrIrO3析氧反應催化劑

【引言】

電解水過程包含析氫（HER）和析氧（OER）兩個半反應，由于析氧反應過程反應動力學緩慢，成為了電解水制氫的瓶頸[¹]。無論是HER還是OER，均需要催化劑來降低電化學反應過電位（過電位是給定的電化學過程中，施加的電壓和熱力學反應電動勢之間的差值）。

目前OER催化劑要達到10 mA cm^-2的比活性，至少需要320 mV以上的過電位。在堿性電解質中表現出高活性和穩定性的貴金屬或非貴金屬催化劑過多，在酸性電解質中，僅有IrO_x和RuO_x這兩類催化劑可以在低于750 mV的過電位下達到5 mA cm^-2的比活性[²]。

【成果簡介】

來自斯坦福大學的Thomas F. Jaramillo教授的研究團隊圍繞IrO_x/SrIrO₃，開發了一種在酸性電解質中具有高活性和高穩定性的OER催化劑[³]。該催化劑在連續測試30 h中，過電位為270-290 mV（比活性為10 mA cm^-2時）。在酸性電解質中，OER性能勝過已知的IrO_x和RuO_x催化體系（320 mV²）。

圖文導讀：

圖1?材料表征

鈦酸鍶薄膜表面沉積的SrIrO₃后，30小時的OER反應，使得表面粗糙度增加，Sr從SrIrO₃表面浸出，切表面有IrO₃或IrO₂形成。

(A) SrIrO3薄膜AFM的面掃和線掃圖（OER測試30小時前后）；

(B) 鈦酸鍶和IrO2樣品的粗糙度因子（RF）和粗糙度均方根(RMS)（單位為納米）；

(C) 100納米的SrTiO3膜的X射線衍射；

(D) 100納米的SrIrO₃薄膜Ir 4f 和Sr 3d 峰 光電子能譜（XPS）以及 (E) OER測試30小時后，薄膜表面的各元素的相對量深度濺射信息。

【注】a.u.：任意單位。

圖2 電催化數據

在酸性電解質中，OER測試30小時前后，比活性為10 mA cm^-2時的過電位在270-290 mV，催化性能遠勝已知的IrO_x和RuO_x催化體系。

(A) OER測試30小時前后，比活性為10 mA cm^-2時的電位比較；

(B) 酸性介質OER反應中的塔費爾曲線。

圖3 DFT理論計算

DFT計算表明，在電化學測試過程中，SrIrO₃表面層中會發生Sr浸出，在Sr浸出后，表面形成IrO₃或者金紅石型IrO₂，表面層具有高活性。

(A) 理論過電位(η) O* and OH* 結合能；

(B-I) IrO_x和SrIrO₃表面反應過程的理論模型(strontium, green; iridium, blue; oxygen, red)；

(J) 黑圈表示OH* and OOH* 結合能的比例關系（灰線及陰影區域總結自文獻中的過渡金屬及其氧化物）；

【注】G：吉布斯自由能； ML：單層。

展望：

文章亮點在于所制備的IrO_x/SrIrO₃催化劑有著優異的OER性能，表面析出的IrO_x納米粒子增強了催化活性。雖然未有解釋表面Sr的浸出以及IrO_x催化反應的機理，但其理論計算做了催化性能增強的有力證明。該工作為研究OER酸性介質催化劑提供了新的方向，繼續將電解水制氫工業化向前推進。

文獻鏈接： A Highly Active and Stable IrO_x/SrIrO₃ Catalyst for the Oxygen Evolution Reaction (Science, 2016, DOI:10.1126/science.aaf5050)

相關文獻鏈接：

[1]Single layer graphene encapsulating non-precious metals as high-performance electrocatalysts for water oxidation

[2]Benchmarking Hydrogen Evolving Reaction and Oxygen Evolving Reaction Electrocatalysts for Solar Water Splitting Devices.

本文由材料人編輯部新能源學術組 pamperhey 供稿，點我加入編輯部。

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