催化視界 2024年07月26日 07:30 澳大利亞
水氧化反應（OER）是限制整個水電解設備效率的關鍵因素，尤其是在酸性介質中，OER催化劑的長期穩定性是一個主要挑戰。傳統的Ir基催化劑如IrO?盡管活性較高，但穩定性較差，難以在高負荷下長期運行。因此，開發高性能且穩定的Ir基OER催化劑對于促進質子交換膜水電解器（PEMWEs）的廣泛應用具有重要意義。
成果簡介
本文提出了一種高溫熔鹽輔助策略，成功合成了具有有序填充結構的Ir-B化合物（IrB1.1），并揭示了硼誘導的間隙效應在提高催化活性和穩定性方面的作用。實驗結果表明，IrB1.1在酸性介質中的OER性能優于商業IrO2，并在PEMWEs中實現了穩定的長時間運行。
研究亮點
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有序間隙填充結構：通過高溫熔鹽輔助策略，在Ir晶格中有序引入硼原子，形成IrB1.1化合物。
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電子結構調控：硼原子的引入形成了電子富集的Ir環境，優化了OER中間體的吸附。
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增強的催化活性：實驗表明，IrB1.1在0.5 M H2SO4中表現出比IrO?更低的過電位和更高的活性。
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優異的穩定性：IrB1.1展示出優于商業IrO2的長期穩定性，能夠在PEMWEs中實現穩定的電解水性能。
配圖精析
圖1: 合成與結構表征(a) IrB1.1的高溫熔鹽輔助合成示意圖。(b) 合成材料的XRD圖譜及IrB1.1的晶體結構。(c) IrB1.1的BF和HAADF-STEM圖像。(d) 沿[100]方向的IrB1.1晶體結構。(e) 相應的FFT圖案。(f) STEM圖像及相應的Ir和B的原子EDS元素圖譜。(g, h) 對應圖(f)中黃色框區域的線掃描剖面。
圖2: 催化劑的電子結構(a) IrB1.1的B 1s XPS光譜。(b) Ir和IrB1.1的Ir 4f XPS光譜。(c) Ir箔、IrO2和IrB1.1在Ir L3邊的XANES光譜。(d) Ir箔、IrO2和IrB1.1的Ir K空間振蕩。(e) Ir箔、IrO2和IrB1.1的EXAFS光譜傅里葉變換。(f) IrB1.1的Ir L3邊EXAFS擬合曲線。(g-i) Ir箔、IrO2和IrB1.1的Ir L3邊WT-EXAFS。
圖3: 酸性OER性能(a) Ir、Ir-IrB0.9-IrB1.1、Ir-IrB1.1、IrB1.1和IrO2在0.5 M H2SO4中的OER極化曲線。(b) 在10 mA cm2時的相應過電位。(c) Ir、Ir-IrB0.9-IrB1.1、Ir-IrB1.1、IrB1.1和IrO2的Tafel斜率。(d) Ir、Ir-IrB0.9-IrB1.1、Ir-IrB1.1和IrB1.1在300 mV過電位下的Nyquist圖。(e) Ir、Ir-IrB0.9-IrB1.1、Ir-IrB1.1和IrB1.1的Cdl值。(f) 1000次CVs前后的極化曲線。(g) IrB1.1和IrO?的恒電流穩定性測試。(h) 利用合成的IrB1.1或商業IrO2作為陽極催化劑和Pt/C作為陰極催化劑測量的整體水分解。
圖4: PEMWE裝置性能(a) 典型PEMWE裝置的示意圖。(b) 典型PEMWE裝置的照片。(c) PTL和壓敏紙的表面應力分布圖。(d) 在80℃下測量的PEMWE極化曲線，利用合成的IrB1.1或商業IrO2作為陽極，Pt/C作為陰極。(e) IrB1.1|| Pt/C的時間相關電流密度曲線。
圖5: 活性改善機制(a) 在0和1.23 V（相對于RHE）下，Ir、IrB1.1和IrO2的OER過程的自由能曲線。(b) Ir位點在模型上的PDOS。(c) IrB1.1的能帶圖示意圖。(d) IrB1.1模型的二維切片的電荷密度差異。
圖6: 穩定性改善機制(a) IrB1.1和IrO2中Ir的去金屬化能量。(b) IrB1.1在普通0.5 M H?SO?中記錄的OCP ~1.6 V（相對于RHE）的原位拉曼光譜。(c) IrO2中的Ir-O鍵和IrB1.1中的Ir-B鍵的COHP。(d) IrO2和IrB1.1中費米能級以下的積分COHP比較。(e) IrO2和IrB1.1的PDOS，灰色區域高亮顯示了反鍵態。(f) 輕硼誘導的間隙效應對IrB1.1穩定性的示意圖。
展望
本文通過高溫熔鹽輔助策略成功合成了具有有序間隙填充結構的IrB1.1化合物，揭示了硼誘導的間隙效應在提高催化活性和穩定性方面的作用。硼原子的引入通過形成電子富集的Ir環境，優化了OER中間體的吸附，并通過增強化學鍵的強度，抑制了Ir的溶解和重構，從而實現了OER活性和穩定性的雙重提升。未來，這一研究結果不僅為開發更高效的酸性OER催化劑提供了新思路，也為PEMWEs的實際應用帶來了新的可能性。
文獻信息
標題: Boron-Induced Interstitial Effects Drive Water Oxidation on Ordered Ir-B Compounds
期刊: Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: 10.1002/anie.202407577
原文鏈接: https://doi.org/10.1002/anie.202407577