電催化水分解是一種清潔有效的方法，可以生產(chǎn)高純度氫氣。同時(shí)，開發(fā)高效廉價(jià)的催化劑對(duì)于析氫反應(yīng)(HER)至關(guān)重要。

受氫化酶析氫行為的啟發(fā)，其中活性中心的氮雜二硫醇橋配體促進(jìn)快速質(zhì)子穿梭和催化轉(zhuǎn)化，南京大學(xué)郭學(xué)鋒、東南大學(xué)王金蘭和中南大學(xué)劉敏等將IrNi納米顆粒分別限制在N和O共摻雜的碳(N, OC)納米籠中(IrNi@N, OC)，以提高HER動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性。

研究人員首先進(jìn)行了初步的理論計(jì)算，結(jié)果表明，對(duì)于N、OC和純碳基質(zhì)，水分子和底物之間的距離(d)分別為1.82 ?和2.27 ?。引入N/O摻雜劑后d值降低表明水合氫離子更容易進(jìn)入N, OC表面，即N/O共摻雜可能促進(jìn)質(zhì)子富集。

在1.0 M HClO₄溶液中，所制備的IrNi@N, OC顯示出優(yōu)異的HER性能: 在100 mA cm^-2和1000 mA cm^-2電流密度下的過(guò)電位分別為22 mV和267 mV，Tafel斜率為18 mV dec^-1。更重要的是，IrNi@N, OC還具有出色的耐久性。

實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，IrNi@N, OC中的N和O摻雜劑可以很容易地吸附質(zhì)子，然后增加IrNi活性中心的H*覆蓋率，從而大大增強(qiáng)了HER動(dòng)力學(xué)。

另外，在N和O摻雜劑的幫助下，IrNi@N, OC上的HER反應(yīng)途徑得到優(yōu)化，具有低反應(yīng)勢(shì)壘。這項(xiàng)工作不僅為合成獨(dú)特的納米反應(yīng)器催化劑以有效催化HER提供了一條新途徑，而且還為針對(duì)不同電催化反應(yīng)的高性能電催化劑的開發(fā)提供了新的見解和設(shè)計(jì)策略。

N, O-C Nanocage-Mediated High-efficient Hydrogen Evolution Reaction on IrNi@N, O-C Electrocatalyst. Applied Catalysis B: Environmental, 2021. DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120996