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?同濟/柏林工大/馬普所Nat. Commun.:Ir-Co3O4高效的催化酸性條件下的OER

?同濟/柏林工大/馬普所Nat. Commun.:Ir-Co3O4高效的催化酸性條件下的OER
設計出活性穩定、經濟高效的酸性析氧電催化劑是研制質子交換膜水電解槽的關鍵。基于此,同濟大學馬吉偉教授、德國柏林工業大學Peter Strasser和德國馬普固體化物所胡志偉教授(共同通訊作者)等人報道了一種簡單而經濟的策略,通過機械化學方法制備原子分散的Ir原子摻雜在尖晶石Co3O4(Ir-Co3O4)中。通過引入微量Ir(~1.05 at%),Ir-Co3O4在酸性介質中電流密度為10 mA cm-2時,OER過電位顯著降低至236 mV,明顯低于Co3O4(412 mV)。在過電位為300 mV時,Ir-Co3O4的歸一化質量活度和TOF均比商用IrO2高近兩個數量級。同時,在Co3O4晶格中加入Ir單原子后,穩定性更久。
?同濟/柏林工大/馬普所Nat. Commun.:Ir-Co3O4高效的催化酸性條件下的OER
通過DFT計算,作者研究了OER的機理及其對Ir-Co3O4的協同作用。Ir-Co3O4上的電荷密度差表明,Ir摻入Co3O4可有效地調節電荷的再分配,Ir原子傾向于失去電子,離域電子聚集在鄰近Ir-O鍵周圍。
此外,Ir-Co3O4的d-帶中心位置高于Co3O4,d-帶中心的正移有利于催化劑表面與吸附體之間的相互作用。預測態密度(pDOS)表明,Ir的引入在Ir-Co3O4中產生了新的雜化電子態,導致在費米能級附近的總態密度(TDOS)變寬,而Co3O4的TDOS顯示出帶隙,表明Ir單原子的引入使Co3O4具有金屬性質,比Co3O4具有更好的電子導電性,從而加快OER動力學。
?同濟/柏林工大/馬普所Nat. Commun.:Ir-Co3O4高效的催化酸性條件下的OER
通過對Co 3d、O 2p和Ir 5d pDOS的檢驗,作者研究了Ir原子與Co3O4的協同作用,觀察到pDOS中Ir 5d軌道與Co 2p軌道有很大的重疊,表明Co與Ir原子之間具有強相互作用和更多共價性。作者首先計算了Ir位的電位決定步驟(PDS),結果表明Ir-Co3O4和IrO2的極限步驟都發生在O*到OOH*的轉換上。它們對應的PDS值分別為0.288 eV和0.378 eV,表明Ir-Co3O4具有較低的能壘和較好的OER性能。
此外,Co位上的計算表明,Co3O4上的PDS主要來源于H2O向OH*的轉變,勢壘為1.31 eV。在Ir-Co3O4上,隨著OOH*的形成,PDS發生變化,相應的能壘進一步降低至1.11 eV,突出了Ir單位點對OER的促進作用。
?同濟/柏林工大/馬普所Nat. Commun.:Ir-Co3O4高效的催化酸性條件下的OER
Iridium single atoms incorporated in Co3O4 efficiently catalyze the oxygen evolution in acidic conditions. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-35426-8.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-35426-8.

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