AM：用于析氧反应的Ir/Ni(OH)2异质结构电催化剂

痴迷文献

2020-05-05

利用可再生电力驱动的电化学水分解被认为是绿色、可持续制氢的最有前途的方法之一，是未来氢气社会的基石。其关键在于开发先进的电催化剂以提高水槽能量转换效率。释放一个氧分子需要四个电子的转移，并涉及O-O键的形成， 使得OER通常需要很高的过电位，严重降低了能量转换效率。近年来，异质结构工程因其在设计具有独特性能的先进电催化剂方面的诱人能力而备受关注。一方面，不同组分之间的电子转移会调节它们的电子结构。另一方面，异质结构界面会出现独特的原子配位和晶格应变，这两者都会影响电催化性能。此外，异质界面的形成所产生的协同效应也提供了打破标度关系的可能性。从IrO₂和Ni(OH)₂可有效设计及构建异质结构OER电催化剂。以前的研究表明，IrO₂和NiOOH在OER中间体的吸附方面具有互补的行为。OH*和O*分别倾向于吸附在Ni(OH)₂和IrO₂表面，因此，异质结构可能通过协同优化多种中间体吸附来促进OER过程。

有鉴于此，浙江大学孙文平研究员报道了一种具有丰富异质界面的Ir/Ni(OH)₂异质结构作为一种高效的电催化剂，将Ir纳米颗粒均匀地限制在Ni(OH)₂纳米片上。

文章要点

1）对于Ir/Ni(OH)₂异质结构的合成，研究人员首先采用回流法制备Ni(OH)₂纳米颗粒，然后通过多元醇还原工艺将Ir纳米颗粒锚定在Ni(OH)₂纳米颗粒上。Ir/Ni(OH)₂异质结的XRD图谱显示出Ir纳米粒子和Ni(OH)₂的结合特征，表明杂化成功。透射电子显微镜(TEM)图像和相应的选区电子衍射(SAED)图像显示了Ni(OH)₂ NSs的典型二维形貌。这种二维形貌有利于限制Ir/Ni(OH)₂异质结合成过程中金属核的生长。Ir纳米颗粒均匀地锚定在Ni(OH)2纳米颗粒的表面，平均直径较小，约为1.5 nm。元素映射图像显示，Ir、Ni和O元素均匀分布，表明了异质结构的均匀性。高分辨透射电镜图像显示了一种Ir纳米粒子的点阵条纹，其d间距为0.23 nm，夹角为70°，对应于Ir金属的{111}面。XPS研究了Ir/Ni(OH)2异质结构和Ir纳米粒子的表面化学态。

2）基于合理的催化剂设计，电催化剂不仅表现出高的OER活性，而且还具有良好的耐用性。原位生成的IrO_x和NiOOH之间的协同效应打破了标度关系，导致OER动力学显著增强。同时，Ir物种与Ni(OH)₂之间强烈的电子相互作用和Ir-O-Ni桥键稳定了亚稳态Ir(V)物种，这对O-O键的形成至关重要。Ni(OH)₂衬底还保证暴露出足够的活性部位。此外，限制效应大大减轻了Ir物种的严重团聚，确保了催化剂的结构完整性和活性中心的持续暴露。

该研究结果突出了合理异质结构界面工程的优点，并为开发面向OER乃至更高层次的先进电催化剂提供了新的设计原则。

Guoqiang Zhao, et al, An Ir/Ni(OH)₂ Heterostructured Electrocatalyst for the Oxygen Evolution Reaction: Breaking the Scaling Relation, Stabilizing Iridium(V), and Beyond, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.202000872

https://doi.org/10.1002/adma.202000872