苏州大学Nat.Commun:亚稳态单斜的氧化铱纳米高效电催化析氧

一、【导读】

  在酸性电解质中将水电解成清洁和可再生的氢气是缓解能源和环境保护问题的有效技术之一。阳极析氧反应(OER)的高效电催化剂显著地提高了能量转换效率，因为电解水分解的大部分能量消耗发生在阳极。氧化铱(IrO₂)被认为是最先进的OER催化剂，可以承受苛刻的酸性条件。然而，先前报道的IrO₂催化剂对缓慢的OER动力学缺乏较高的本征活性。研究发现构建亚稳态纳米结构是一种很有前途的追求卓越催化性能的方法。金红石相IrO₂的本征活性与[Ir-O₆]单元连接结构以及晶格畸变密切相关。因此，合理设计具有不同单元连接的亚稳态纳米结构IrO₂或许是提高OER本征活性的关键之一。

二、【成果掠影】

  近日，苏州大学邵琪团队等人成功获得空间群为C2/m的单斜相氧化铱纳米带，这与具有稳定四方相(P42/mnm)的金红石氧化铱不同。在酸性条件下表现出远高于四方相IrO₂的OER活性。文章以“Iridium oxide nanoribbons with metastable monoclinic phase for highly efficient electrocatalytic oxygen evolution”为题发表在Nature Communications上。

三、【核心创新点】

1、作者利用熔融碱机械化学方法，成功通过从单斜相K_0.25IrO₂(2/m(12))前驱体中合成出具有空间群为C2/m的单斜相氧化铱纳米带。

2、密度泛函理论计算表明，IrO₂纳米带在酸性条件下作为电催化剂用于OER时，由于Ir在这种特殊的单斜相结构中较低的d带中心，IrO₂纳米带的本征催化活性远高于四方相IrO₂。

四、【数据概览】

图1 IrO₂ NR 的形态和结构。（a）显示 IrO₂ NR 均匀分布的 SEM图像。(b)单个 IrO₂ NR 的 TEM 图像。(c) XRD 图。（d） HRTEM 图像。（e）由 (100) 和 (010) 平面的 HRTEM线扫描图。（f ）IrO₂ NR 的 HAADF–STEM 图像。（g）IrO₂ NR、C- IrO₂和 Ir的XANES光谱和(h) FT-EXAFS光谱。(i)典型的长 IrO₂ NR。(j、k)从 a方向和c方向观察 IrO₂ NR的晶体结构图。©2023 The Author(s)

图2 IrO₂ NR 的结构演变。(a、b)由IrCl₃和KOH原料制成K_0.25IrO₂。(c、d)从 K_0.25IrO₂到 IrO₂ NR。紫色、蓝色、黄色、绿色和粉红色的球分别代表 K、Ir、O、Cl 和 H 元素。©2023 The Author(s)

图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样品的 LSV 曲线。(b)基于BET 面积和 ECSA 面积的质量活度和比活度。(c) IrO₂ NR、IrO₂ NS、C-IrO₂和 C-Ir/C样品在10 mA cm ^–2下的计时电位曲线。©2023 The Author(s)

图4 IrO₂ NR的OER理论分析。（a）在理论计算过程中，IrO₂ NR的晶体结构具有(001)面的暴露边缘。OER在( b )金红石 IrO₂ (110)和( c ) IrO₂ NR (100)样品上的反应机制。（d）对应的 4e^-自由能演化的热力学图。（e）比较金红石IrO₂ 和 IrO₂ NR样品中 Ir 原子的d轨道分布。蓝色、黄色和粉红色的球分别代表Ir、O和H元素。©2023 The Author(s)

五、【成果启示】

  综上所述，作者通过强碱辅助机械热工艺技术成功合成出一种具有纳米带形态的亚稳态IrO₂。这项研究再次说明纳米片形态的二维层状结构在催化领域的优异性。纳米带和分层结构的结合可能会对未来的应用产生重大影响。通过合理的设计和制造技术，这种组合可能会在散装材料中产生不存在的异常相，从而为电催化能量转换反应产生新的活性位点。随着表面科学、纳米科学和纳米技术领域的快速发展，以及理论研究的进步，明确的金属氧化物带状纳米结构将为下一代固体催化剂的设计铺平道路。同时这项研究也为深入理解构效关系提供新的依据。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36833-1

本文由K . L撰稿。