Angew. Chem. :熔点作为OER催化剂特征描述符的单颗粒水平催化剂性质-活性关系

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准确评估催化剂的本征活性对于理解其结构-性质-活性关系和开发高效电催化剂至关重要。然而,作为电催化析氧反应(OER)的重要催化剂,过渡态金属氧化物(TMO)的本征活性标准化评估始终存在挑战。其主要原因在于,催化剂结构和组成的不确定性、电化学活性面积(ECSA)难以被准确测量以及传统测量方法中的传质速率受限。


近日,中国科学院长春应用化学研究所周敏研究员课题组创新性地采用电沉积-热退火方法,制备了一系列结构明晰、成分确定且形貌规则的单TMO颗粒纳米电极。借助于单颗粒纳米电极的高传质特性,精准测量了九种TMOs的本征OER活性。通过巧妙的Au@SEMI核壳结构,该方法成功将催化剂的测试范围扩大至半导体材料。基于以上工作,首次建立了以TMOs催化剂熔点为特征描述符的OER活性关联度分析。



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单颗粒纳米电极在催化剂本征活性评估研究中具有显著优势。首先,根据单TMO颗粒电极模型,基于稳态伏安法构建了一种精准测量催化剂ECSA的方法。其次,通过电沉积-热退火方法调控同一种单TMO颗粒的尺寸,在高传质速率下确认了电催化过程中由动力学控制的Tafel区域。同时,设计了单Au@SEMI核壳颗粒纳米电极结构,以Au核作为电子集流体,增强了催化剂的界面电子传输能力,将催化剂的测试范围有效拓展至半导体材料。此外,由于催化剂颗粒完全覆盖碳载体,抑制了载体、催化剂和电解液之间异质界面效应的产生,并避免了在高过电势下因碳载体氧化对OER测试产生的干扰。

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最终,在约定了pH、电解质浓度和温度等环境因素的基准条件下,九种典型的TMOs催化剂的本征OER活性得到了准确评估。对催化剂理化性质和本征活性进行关联度分析,首次报道了以熔点作为OER催化剂特征描述符的单颗粒水平催化剂性质-活性关系。该工作为催化剂的本征活性测量提供了一种全新的策略,并为高效催化剂的理论预测提供了实验支持。

文信息

Benchmarking the Intrinsic Activity of Transition Metal Oxides for the Oxygen Evolution Reaction with Advanced Nanoelectrodes

Han Gao, Jianan Xu, Xueqi Zhang, Min Zhou

文章的第一作者是中国科学院长春应用化学研究所的博士研究生高晗。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202404663




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