国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

成果簡介

在聚合物電解質(zhì)膜（PEM）水電解槽中開發(fā)高效的析氧反應(yīng)（OER）電催化劑具有較大的挑戰(zhàn)性。最近的理論研究表明通過減少銥氧（Ir-O）的配位數(shù)可以降低決速步的反應(yīng)能壘，從而加速OER反應(yīng)。受此啟發(fā)，湖南大學(xué)王雙印教授以及陳如副教授（通訊作者）通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Ir-O配位數(shù)在模型催化劑中的作用，并合成了低配位的IrO_x納米粒以實(shí)現(xiàn)持久的PEM水電解槽。

首先，他們利用基于等離子體的缺陷工程對商用金紅石-IrO₂進(jìn)行了模型研究，通過原位擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）分析和計(jì)算研究闡明了減少配位數(shù)提高催化活性的原因。接下來，在模型研究的指導(dǎo)下，他們探索了一種低配位的Ir基催化劑，在酸性O(shè)ER中表現(xiàn)出較低的過電位（231 mV@10 mA cm^-2）和較長的穩(wěn)定性（100小時(shí)）。

最后，作者將該催化劑組裝成PEM水電解槽，該電解槽在電流密度為1 A cm^-2時(shí)具有較低的電壓（1.72 V），并展示了超過1200小時(shí)（@1 A cm^-2）的穩(wěn)定性，且無明顯衰減。這項(xiàng)研究提供了關(guān)于配位數(shù)作用的獨(dú)特見解，并為設(shè)計(jì)用于PEM水電解槽的基于Ir的催化劑鋪平了道路。

研究背景

質(zhì)子交換膜水電解（PEMWE）技術(shù)提供了便捷的途徑，其能夠?qū)崿F(xiàn)更大的電流密度、即時(shí)響應(yīng)、更高的氣體純度和更好的質(zhì)子傳導(dǎo)性。然而，質(zhì)子交換膜水電解槽具有強(qiáng)氧化性，并且由于陽極的四電子轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致動力學(xué)緩慢。因此，迫切需要設(shè)計(jì)高性能的電催化劑來應(yīng)對這些長期存在的挑戰(zhàn)。在這方面，IrO₂通常被用作氧化還原反應(yīng)的催化劑。

迄今為止，許多努力旨在提高IrO₂催化劑的內(nèi)在活性，同時(shí)提高催化劑在PEM水電解槽中的利用率，以彌補(bǔ)急劇減少的貴金屬含量。值得注意的是，改變Ir-O配位環(huán)境可以通過改變Ir活性位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)來優(yōu)化IrO₂催化劑的OER活性。遺憾的是，人們對它們之間的詳細(xì)依賴關(guān)系仍然缺乏了解，而缺乏令人滿意的配位數(shù)調(diào)整策略和兼容材料也可能是這一問題的重要原因。

圖文導(dǎo)讀

圖1. IrO₂催化劑配位數(shù)探究及性能比較。

作者首先對模型催化劑進(jìn)行了一系列對照研究，以探究配位數(shù)可能產(chǎn)生的影響。在該項(xiàng)研究中，作者使用商用金紅石-IrO₂ 作為模型催化劑，并采用傳統(tǒng)的基于等離子體的策略來調(diào)整它們的配位數(shù)。通過對等離子體處理過的 IrO₂樣品進(jìn)行了 X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu) (XANES) 測量，作者觀察到 Ar 等離子體處理過的 IrO₂ 的配位降低了（5.76），而經(jīng)O₂等離子體處理過的樣品的 Ir-O 配位增加了（6.52）。這表明基于等離子體的方法能夠調(diào)整模型催化劑的配位數(shù)。

隨后，作者在 0.5 M H₂SO₄ 電解液中使用三電極系統(tǒng)評估了它們的 OER 活性。結(jié)果表明，Ar等離子體處理過的 IrO₂ 在 1.6 V（相對于 RHE）時(shí)的 OER 性能優(yōu)于金紅石-IrO₂催化劑和 O₂ 等離子體處理過的金紅石-IrO₂催化劑。多組重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明催化活性的變化趨勢與配位數(shù)有關(guān)，即配位數(shù)越少，催化活性越高。

圖2. OER反應(yīng)機(jī)理探究。

為了探究可能的機(jī)理，作者結(jié)合理論計(jì)算進(jìn)行了原位 XANES 測量。測量結(jié)果表明低配位 IrO₂催化劑的 Ir L3邊向更高能量移動，而金紅石-IrO₂ 沒有明顯的變化。這種轉(zhuǎn)變是由于氧化態(tài)隨著電位的升高而增加，與金紅石-IrO₂ 相比，低配位樣品傾向于被氧化。

此外，作者還注意到這種氧化態(tài)即使在消除反應(yīng)電勢后也是穩(wěn)定的。另一方面，當(dāng) OCV 上升到 1.6 V 時(shí)，低配位樣品的 Ir-O 鍵距離從 1.66 ? 縮短到 1.6 ?（與 RHE 相比），與金紅石-IrO₂ 的鍵長不變截然相反，這可能有效地調(diào)整了 IrO₂ 的 d 帶中心和電子結(jié)構(gòu)，使活性位點(diǎn)對含氧中間體具有良好的親和性。作者進(jìn)一步通過對催化劑上的各種中間體（OH*、O*和 OOH*）的行為進(jìn)行了第一性原理研究以探討配位數(shù)如何影響 OER 過程中決速步的反應(yīng)能壘。計(jì)算結(jié)果表明低配位數(shù)的IrO₂決速步是 H₂O 與 O* 結(jié)合形成 OOH*。而金紅石-IrO₂的決速步是 OH* 分解成 O* 和 H*。

圖3. IrO_x樣品結(jié)構(gòu)表征。

在模型研究的指導(dǎo)下，作者首先通過水熱法制備了低配位的IrO_x樣品。相關(guān)的光譜表征都表明作者所制備的IrO_x樣品可能具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。TEM測試結(jié)果同樣證明了其無定形結(jié)構(gòu)。隨后，作者通過XPS和XAS進(jìn)一步研究了IrO_x中Ir的電子結(jié)構(gòu)和可能的配位環(huán)境。結(jié)果表明，非晶態(tài) IrO_x 的 Ir-O 配位數(shù)（CN = 5.74）低于金紅石型 IrO₂ 的 Ir-O 配位數(shù)（CN = 6）。顯然，無定形 IrO_x中的 Ir-O 鍵長度位于低配位數(shù)上。

圖4. OER性能測試。

隨后，作者考察了無定形 IrO_x 催化劑在 0.5 M H₂SO₄ 三電極系統(tǒng)中的 OER 活性，并以金紅石-IrO₂作為參照物。在電流密度為 10 mA cm^-2 時(shí)，IrO_x 的過電位低至 231 mV。當(dāng)過電位升高到 300 mV 時(shí)，電流密度為 58.6 A mg^-1，是金紅石-IrO₂（1.4 mA cm^-2@300 mV）的 42 倍。塔菲爾斜率顯示IrO_x的斜率遠(yuǎn)低于金紅石-IrO₂ 的斜率，這表明 IrO_x 催化劑具有更快的OER反應(yīng)動力學(xué)。

作為在電解水中的實(shí)際應(yīng)用概念，作者使用載量為 2.5 mg cm^-2 的無定形 IrO_x催化劑組裝了一個 PEMWE 全電池。該電池包括一個nafion 115 膜、加熱裝置、蠕動泵、電化學(xué)工作站和水箱。在電流密度為 1 A cm^-2 時(shí)，該 PEMWE 電池的電解槽電壓可達(dá) 1.72 V，遠(yuǎn)高于基于金紅石-IrO₂的電池（1.80 V）。最后，作者使用 1A cm^-2的長期測量方法評估了 PEMWE 電池的穩(wěn)定性。該電池的電壓在1200 小時(shí)內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的衰減，顯示出卓越的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)信息

Reducing the Ir–O Coordination Number in Anodic Catalysts based on IrO_x Nanoparticles towards Enhanced Proton-exchange-membrane Water Electrolysis,?Wang Shuangyin*,?Angew. Chem. Int. Ed.?2023, e202313954. https://doi.org/10.1002/anie.202313954

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/31/28105d9173/

国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

湖南大學(xué)王雙印/陳如，最新Angew！

相關(guān)推薦

湖南大學(xué)王雙印/陳如，最新Angew！