海水電解最新Angew：12秒900℃快速焦耳熱構筑IrB?.??納米催化劑
近日，加拿大魁北克大學/國立科學研究院的孫書會院士團隊在《Angewandte Chemie International Edition》上發表了題為“Ultrafast Synthesis of IrB1.15 Nanocrystals for Efficient Chlorine and Hydrogen Evolution Reactions in Saline Water”的論文，通過超快速焦耳加熱技術成功合成了具有有序結構的IrB1.15納米晶體，并將其應用于酸性鹽水中的氯析出反應（CER）和氫析出反應（HER）。研究表明，IrB1.15在10 mA cm?2電流密度下表現出極低的過電位（CER為75 mV，HER為12 mV），并展現了卓越的選擇性（Cl2選擇性達98.3%）和長期穩定性（連續運行90小時無明顯衰減）。密度泛函理論計算和原位拉曼光譜揭示，硼原子的引入通過調控銥的電子結構和吸附性能，顯著提升了催化活性和穩定性。該研究不僅證明了IrB1.15在鹽水電解中的巨大應用潛力，也為利用硼化物開發新型高效電催化劑提供了新思路。1.氯氣與氫氣的工業需求：氯氣和氫氣是現代工業的重要產品，分別在水處理、有機合成、PVC生產和清潔能源領域具有重要地位。鹽水電解是一種同時制備氯氣和氫氣的關鍵技術，但其效率受限于催化劑的性能。2，現有催化劑的局限性：商業化催化劑如IrO2和Pt/C在氯析出反應（CER）和氫析出反應（HER）中表現出較好的活性，但其高成本和較差的長期穩定性限制了大規模應用。Ru基催化劑在酸性條件下易溶解，影響使用壽命，而Ir基催化劑活性尚需進一步提升。3.金屬硼化物的潛力：過渡金屬硼化物因其優異的機械、電子和化學性質，成為新型電催化劑的研究熱點。然而，針對Ir基硼化物的系統研究仍然稀缺，主要原因在于其制備難度較高和工藝復雜性較大。4.合成技術的創新需求：傳統合成技術常需高溫、長時間反應，導致催化劑團聚和性能下降。開發高效、可控的合成技術來實現結構均一、性能優越的硼化物催化劑，對于推動其在電催化領域的應用具有重要意義。【研究方法】1.超快速焦耳加熱法的應用：通過將氯銥酸銨和硼氫化鈉混合均勻，利用焦耳加熱技術在900 ℃下加熱12秒，快速合成IrB1.15納米晶體。該方法具有加熱速度快、時間短的特點，有效避免了材料團聚和燒結問題，保證了催化劑的分散性和結構完整性。圖1. 通過超快速焦耳加熱制備了IrB1.15納米晶體，并通過多種顯微和元素分析方法確認了其結構及元素分布2.材料的結構與成分表征：使用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和X射線衍射（XRD）確認晶體結構及晶面特征，通過X射線光電子能譜（XPS）分析化學狀態，并通過高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）結合能量色散X射線（EDS）測定元素的空間分布，驗證B原子在Ir晶格中的有序填充。圖2. IrB1.15的晶體結構具有有序填充的B原子，XRD和XPS分析表明其晶格穩定且電子結構被優化3.電化學性能測試：通過線性掃描伏安法（LSV）和循環伏安法（CV）測試催化劑在酸性鹽水中的CER和HER性能，同時使用電化學阻抗譜（EIS）研究催化劑的電荷轉移效率，并通過旋轉環盤電極（RRDE）評估Cl2的選擇性。4.催化機理研究：結合密度泛函理論（DFT）計算和原位拉曼光譜技術，深入研究B摻雜對Ir電子結構和催化活性的調控作用，包括反應路徑分析、吸附能計算及活性中心的動態變化，為催化性能的提升提供理論支持。1.催化性能的提升：IrB1.15在10 mA cm?2電流密度下，CER和HER的過電位分別僅為75 mV和12 mV，優于商業催化劑IrO2和Pt/C，表現出更高的催化活性。此外，HER法拉第效率高于98%，而Cl?選擇性達到98.3%，展現了卓越的工業應用潛力。圖3. IrB1.15在酸性鹽水中表現出優異的CER催化性能，具有低過電位、高選擇性和長時間穩定性2.優異的長期穩定性：IrB1.15在2000次循環伏安測試后性能幾乎無衰減，在連續90小時的運行中依然保持穩定。測試后通過TEM和XRD表征發現，其晶體結構和形貌未發生明顯變化，證明其具有優良的耐久性和抗腐蝕性。圖4. IrB1.15在酸性介質中表現出卓越的HER催化活性，優于商業催化劑且具有出色的長期穩定性3.B原子的調控作用：DFT計算和原位拉曼光譜揭示，B原子的摻入優化了Ir的電子結構，顯著降低了氫的強吸附，同時提高了對氯的適度吸附能力，使催化劑在CER和HER中的反應路徑更接近理想狀態。圖5. DFT計算和原位拉曼光譜揭示了B原子調控Ir電子結構，從而優化了CER和HER的催化性能4.綜合性能領先：綜合測試結果表明，IrB1.15在催化性能、選擇性和穩定性方面均優于當前主流的Ir和Ru基催化劑，充分證明其在酸性鹽水電解領域的技術優勢，為工業化應用奠定了基礎。【展望】1.合成方法的優化：未來研究可通過調整前驅體比例、反應溫度和時間等參數，進一步提高焦耳加熱技術的可控性，提升IrB1.15納米顆粒的均勻性和一致性，從而提高其催化性能。2.材料體系的拓展：探索焦耳加熱技術在其他過渡金屬硼化物（如RhB、Pd2B）合成中的通用性，為開發多功能、高效催化劑提供可能性，并擴展其應用領域。3.工業化的推進：通過大規模制備工藝的開發，降低材料生產成本，推動IrB1.15催化劑在工業電解制氫和制氯中的實際應用，從而助力清潔能源和綠色化工技術的發展。4.基礎研究的深入：結合實驗和理論進一步研究B原子摻雜對Ir電子結構的精確調控機制，探索不同B摻雜比例對催化性能的影響，為設計新型高效催化劑提供理論指導，并推動硼化物材料在其他催化領域的創新應用。