質(zhì)子交換膜電解水(PEMWE)技術(shù)能夠利用可再生電能在酸性條件下將水轉(zhuǎn)化為綠色氫氣。但是，由于陽極析氧反應(yīng)(OER)動力學(xué)緩慢，需要大的過電位才能驅(qū)使其反應(yīng)，嚴(yán)重制約了產(chǎn)氫效率。Ir基催化劑在OER活性和穩(wěn)定性之間取得了最佳的平衡，但仍然受到質(zhì)量活性低和Ir缺乏的限制。同時，高電解電壓(> 1.6 V)和苛刻的酸性腐蝕條件不可避免地導(dǎo)致催化劑結(jié)構(gòu)變形和失活。因此，需要開發(fā)有效的策略來提高Ir基催化劑的穩(wěn)定性以實現(xiàn)高效催化酸性O(shè)ER。
近日，中科院長春應(yīng)化所邢巍、葛君杰和王穎等提出了一種新的反摻雜方法，將Ti原子摻雜到IrOx/Ir基質(zhì)的表面層(Ti-IrOx/Ir)中。其中，催化劑中的Ir-O-Ti單元可以同時提高OER的活性和穩(wěn)定性。性能測試結(jié)果顯示，所制備的Ti-IrOx/Ir催化劑在0.5 M H2SO4溶液中達(dá)到10 mA cm?2電流密度時的OER過電位僅為254 mV，Tafel斜率為48 mV dec?1。
此外，該催化劑在10 mA cm?2電流密度下連續(xù)運行100小時后過電位僅增加了36 mV，并且反應(yīng)后材料的晶體結(jié)構(gòu)和形貌基本保持不變，證明Ti-IrOx/Ir具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
實驗結(jié)果和理論計算表明，Ti-IrOx/Ir催化劑優(yōu)異的OER活性可歸因于：1.低電負(fù)性的Ti通過橋氧將電子施加給相鄰Ir位點，從而削弱Ir-O相互作用，從而通過吸附質(zhì)演化機(jī)制(AEM)激發(fā)IrOx/Ir的活性；2.晶格氧機(jī)制(LOM)中限制O-O鍵的形成以及Ti通過抑制Ir過氧化，減少了活性Ir物種的溶解，從而提高了IrOx/Ir的穩(wěn)定性。綜上，該項工作從原子角度揭示了Ti-IrOx/Ir催化劑在酸性O(shè)ER中活性和穩(wěn)定性提升的原因，對于設(shè)計高活性、高穩(wěn)定性的酸性O(shè)ER催化劑具有一定的指導(dǎo)意義。
Inverse Doping IrOx/Ti with Weakened Ir-O iInteraction toward Stable and Efficient Acidic Oxygen Evolution. Chem, 2023. DOI: 10.1016/j.chempr.2023.05.044
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