研究内容:
设计经济高效的电催化剂是开发质子交换膜水电解槽的必要条件。在此,我们报道了一种由机械化学方法制备的钴氧化物与铱单原子(Ir-Co3O4)催化剂。操作x射线吸收光谱显示,在Ir原子的反应过程中被部分氧化为活性Ir>4+,同时Ir和Co原子它们的桥接亲电O配体作为活性位点,共同提高了性能。理论计算进一步揭示了孤立的Ir原子可以有效地提高电导率,优化能势垒。因此,在酸性条件下,Ir-Co3O4表现出比IrO2明显更高的质量活性和周转频率。此外,催化剂的制备可以很容易地扩大到每批克级。目前的方法强调了构建具有实际应用的成本效益的金属氧化物催化剂的概念。
要点一:
在这项工作中,作者采用了一种简单而经济的策略,通过机械化学方法制备掺杂在尖晶石Co3O4中的原子分散的Ir原子(Ir-Co3O4)。通过引入微量的Ir(约为1.05%),Ir-Co3O4在电流密度为10 mA cm−2的酸性介质中显示出显著的236 mV的OER过电位,明显低于制备的Co3O4(412 mV)。在300 mV的过电位下,Ir-Co3O4的归一化质量活性和TOF值分别可以达到比商业IrO2高近两个数量级。同时,在Co3O4的晶格中加入Ir单原子后,稳定性也可以延长更长的时间。
要点二:
而随着电压升高而升高的价态表明,高价Ir和Co原子及其桥接的亲电O配体都是活性位点,共同负责电化学反应中的电荷转移。密度泛函理论(DFT)计算表明,加入的Ir单原子可以提高电子电导率和降低反应能垒,从而产生了较高的OER催化活性。
图2.Ir-Co3O4的电子和原子结构分析。(a)Ir-Co3O4和IrO2的Ir 4f XPS光谱。(b)Ir-Co3O4和Co3O4的Co 2p XPS谱和(c)O1 s XPS谱。(d)在Ir-Co3O4