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在设计用于质子交换膜(PEM)水电解槽的酸性析氧反应(OER)电催化剂时,活性、稳定性和材料成本是三个关键因素。氧化铱(IrOx)基材料是目前最好的酸性OER电催化剂,能够满足苛刻操作条件下的稳定性要求。然而,Ir的高成本和稀缺性限制了IrOx的大规模应用。因此,开发合理的策略来降低IrOx基催化剂上Ir负载量,同时保持其在酸性环境中的催化活性和稳定性是非常必要的。
基于此,哥伦比亚大学陈经广和刘萍等基于密度泛函理论(DFT)预测以及薄膜和纳米粒子的概念验证实验,建立了一个设计活性和稳定的酸性OER材料的框架。具体而言,在TiN载体上选择了一个部分氧化的Ir (IrOx)覆盖层用于DFT计算,以减少Ir负载到几个单分子层,同时保持相似数量的活性位点。
本文使用*OH的结合能作为IrOx/TiN的OER反应描述符,发现可以通过将Ir的覆盖范围从一层增加到三层(MLs)来提高OER活性,并且通过实验合成的IrOx/TiN膜催化剂证实了这一趋势。IrOx/TiN纳米粒子表现出优异的酸性OER性能,在10 mA cm−2下需要的过电位仅为293 mV,可连续稳定运行250 h;同时,Ir负荷为40 μgIr cm−2的IrOx/TiN的质量活性达到270.8 A gIr−1,显着高于商业IrO2。
此外,在含有IrOx/TiN催化剂(0.2 mg cm−2低Ir负载)的质子交换膜电解槽(PEMWE)电池中,只需要1.69 V即可达到1 A cm−2的电流密度。原位XAS进一步揭示了在OER条件下Ir向IrOx的转变,以及Ir-Ti键的存在,突出了IrOx和TiN之间的相互作用。根据DFT结果,Ir-Ti键调整了IrOx层上*OH的结合强度,导致了比大块IrO2更高的OER活性,同时在酸性OER条件下仍保持高稳定性。
总的来说,这项研究强调了理论预测和实验研究相结合的重要性,有助于促进开发商业上可行的粉末基纳米颗粒OER催化剂,提高反应活性和稳定性。
Theoretical prediction and experimental verification of IrOx supported on titanium nitride for acidic oxygen evolution reaction. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c02936
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