催化视界 2024年07月26日 07:30 澳大利亚
水氧化反应（OER）是限制整个水电解设备效率的关键因素，尤其是在酸性介质中，OER催化剂的长期稳定性是一个主要挑战。传统的Ir基催化剂如IrO?尽管活性较高，但稳定性较差，难以在高负荷下长期运行。因此，开发高性能且稳定的Ir基OER催化剂对于促进质子交换膜水电解器（PEMWEs）的广泛应用具有重要意义。
成果简介
本文提出了一种高温熔盐辅助策略，成功合成了具有有序填充结构的Ir-B化合物（IrB1.1），并揭示了硼诱导的间隙效应在提高催化活性和稳定性方面的作用。实验结果表明，IrB1.1在酸性介质中的OER性能优于商业IrO2，并在PEMWEs中实现了稳定的长时间运行。
研究亮点
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有序间隙填充结构：通过高温熔盐辅助策略，在Ir晶格中有序引入硼原子，形成IrB1.1化合物。
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电子结构调控：硼原子的引入形成了电子富集的Ir环境，优化了OER中间体的吸附。
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增强的催化活性：实验表明，IrB1.1在0.5 M H2SO4中表现出比IrO?更低的过电位和更高的活性。
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优异的稳定性：IrB1.1展示出优于商业IrO2的长期稳定性，能够在PEMWEs中实现稳定的电解水性能。
配图精析
图1: 合成与结构表征(a) IrB1.1的高温熔盐辅助合成示意图。(b) 合成材料的XRD图谱及IrB1.1的晶体结构。(c) IrB1.1的BF和HAADF-STEM图像。(d) 沿[100]方向的IrB1.1晶体结构。(e) 相应的FFT图案。(f) STEM图像及相应的Ir和B的原子EDS元素图谱。(g, h) 对应图(f)中黄色框区域的线扫描剖面。
图2: 催化剂的电子结构(a) IrB1.1的B 1s XPS光谱。(b) Ir和IrB1.1的Ir 4f XPS光谱。(c) Ir箔、IrO2和IrB1.1在Ir L3边的XANES光谱。(d) Ir箔、IrO2和IrB1.1的Ir K空间振荡。(e) Ir箔、IrO2和IrB1.1的EXAFS光谱傅里叶变换。(f) IrB1.1的Ir L3边EXAFS拟合曲线。(g-i) Ir箔、IrO2和IrB1.1的Ir L3边WT-EXAFS。
图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极化曲线。(b) 在10 mA cm2时的相应过电位。(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过电位下的Nyquist图。(e) Ir、Ir-IrB0.9-IrB1.1、Ir-IrB1.1和IrB1.1的Cdl值。(f) 1000次CVs前后的极化曲线。(g) IrB1.1和IrO?的恒电流稳定性测试。(h) 利用合成的IrB1.1或商业IrO2作为阳极催化剂和Pt/C作为阴极催化剂测量的整体水分解。
图4: PEMWE装置性能(a) 典型PEMWE装置的示意图。(b) 典型PEMWE装置的照片。(c) PTL和压敏纸的表面应力分布图。(d) 在80℃下测量的PEMWE极化曲线，利用合成的IrB1.1或商业IrO2作为阳极，Pt/C作为阴极。(e) IrB1.1|| Pt/C的时间相关电流密度曲线。
图5: 活性改善机制(a) 在0和1.23 V（相对于RHE）下，Ir、IrB1.1和IrO2的OER过程的自由能曲线。(b) Ir位点在模型上的PDOS。(c) IrB1.1的能带图示意图。(d) IrB1.1模型的二维切片的电荷密度差异。
图6: 稳定性改善机制(a) IrB1.1和IrO2中Ir的去金属化能量。(b) IrB1.1在普通0.5 M H?SO?中记录的OCP ~1.6 V（相对于RHE）的原位拉曼光谱。(c) IrO2中的Ir-O键和IrB1.1中的Ir-B键的COHP。(d) IrO2和IrB1.1中费米能级以下的积分COHP比较。(e) IrO2和IrB1.1的PDOS，灰色区域高亮显示了反键态。(f) 轻硼诱导的间隙效应对IrB1.1稳定性的示意图。
展望
本文通过高温熔盐辅助策略成功合成了具有有序间隙填充结构的IrB1.1化合物，揭示了硼诱导的间隙效应在提高催化活性和稳定性方面的作用。硼原子的引入通过形成电子富集的Ir环境，优化了OER中间体的吸附，并通过增强化学键的强度，抑制了Ir的溶解和重构，从而实现了OER活性和稳定性的双重提升。未来，这一研究结果不仅为开发更高效的酸性OER催化剂提供了新思路，也为PEMWEs的实际应用带来了新的可能性。
文献信息
标题: Boron-Induced Interstitial Effects Drive Water Oxidation on Ordered Ir-B Compounds
期刊: Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: 10.1002/anie.202407577
原文链接: https://doi.org/10.1002/anie.202407577