Directed Electron Modulation Stabilizes Iridium Oxide Clusters for High-Current-Density Oxygen Evolution

定向电子调制稳定氧化铱团簇用于高电流密度析氧反应

第一作者: Xian He (何贤)

通讯作者: Xibo Li (李西博), Kai Huang (黄凯), Hui Wu (吴辉)

北京邮电大学, 清华大学, 暨南大学

DOI: 待添加 | 期刊名称: 待添加 | 发表年份: 2024

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论文亮点

  1. 开发了一种循环焦耳加热策略，实现了氧化铱团簇在氢氧化钴纳米片上的定向电子调制，形成了强电子耦合界面
  2. 制备的DEM-IrO2@Co(OH)2-NF催化剂在高电流密度下表现出卓越的活性和稳定性，在1000 mA cm-2电流密度下仅需296 mV过电位，并能稳定运行1000小时

研究背景

研究方法

  1. 催化剂合成: 首先在泡沫镍上电沉积Co(OH)2纳米片，然后通过液相焦耳加热将前驱体转化为负载在纳米片上的IrO2团簇
  2. 定向电子调制: 使用循环焦耳加热(CJH)策略在纯水中对负载型催化剂进行定向电子调制，每个循环包括4秒加热和2秒冷却
  3. 结构表征: 采用XRD、TEM、XPS、ICP-OES等技术对催化剂结构、形貌和元素组成进行系统表征
  4. 电化学测试: 在三电极体系中评估催化剂的OER性能，包括极化曲线、塔菲尔斜率、电化学阻抗谱和稳定性测试
  5. 理论计算: 使用密度泛函理论(DFT)计算研究电子调制对反应中间体吸附能和反应路径的影响
  6. 原位表征: 采用原位拉曼光谱技术研究OER过程中催化剂的结构演变
  7. 器件测试: 组装阴离子交换膜(AEM)电解槽，评估催化剂在实际器件中的性能

主要结论

图1: DEM-IrO2@Co(OH)2-NF电极的合成与表征

图1

图1. a) DEM-IrO2@Co(OH)2-NF电极合成示意图; b,c) DEM-IrO2@Co(OH)2-NF的HAADF-STEM图像和Ir、Co、O元素分布图; d) HRTEM图像; e-g) XPS谱图

分析结果:

图2: 活性中心的定向电子调制

图2

图2. a) 纯水中循环焦耳加热过程的温度-时间曲线; b-d) 不同循环次数样品的XPS谱图; e-g) 不同调制周期样品的电化学性能

分析结果:

图3: 电化学性能

图3

图3. a) 极化曲线; b) 塔菲尔曲线; c) 奈奎斯特图; d) 双电层电容; e) 与近期报道的先进OER催化剂的过电位比较; f) 理论与实际氧气产量随时间变化; g) 长期稳定性测试

分析结果:

图4: AEM电解槽性能

图4

图4. a) AEM电解槽结构示意图; b) 极化曲线比较; c) 电化学阻抗谱; d) 1 A cm-2电流密度下的耐久性测试; e) 能量转换效率比较

分析结果:

图5: 反应机理与模拟

图5

图5. a) DEM-IrO2@Co(OH)2-NF和IrO2(110)的原子结构; b) OER自由能图; c) *O吸附的DEM-IrO2@Co(OH)2-NF上的电荷转移; d,e) 原位拉曼光谱

分析结果: