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魯啟鵬/王安良/夏靜AFM：IrIn2合金化，實(shí)現(xiàn)高效水分解電催化劑的有序設(shè)計(jì)

銥（Iridium，Ir）作為一種高效的全水分解催化劑，因其價(jià)格高昂、穩(wěn)定性差，限制了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。基于此，北京科技大學(xué)魯啟鵬教授、山東大學(xué)王安良教授及中科院理化所夏靜高級(jí)工程師等人通過(guò)高溫退火還原法合成了Ir原子占比僅為33%的具有非傳統(tǒng)面心正交晶體結(jié)構(gòu)的Ir基金屬間化合物（IMCs）。該催化劑在減小Ir用量的同時(shí)，在酸性環(huán)境電壓1.51 V時(shí)全水解可達(dá)到10 mA·cm^?2，且表現(xiàn)出高穩(wěn)定性，在55小時(shí)以上的測(cè)試中性能沒(méi)有明顯降低。

VASP解讀

通過(guò)DFT計(jì)算態(tài)密度（DOS）、d帶中心、HER和ORR反應(yīng)步驟的吉布斯自由能ΔG以及差分電荷和bader電荷以探索IrIn₂ IMCs的催化活性與電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

本文計(jì)算IrIn₂和Ir的DOS和d帶中心：其電子結(jié)構(gòu)在費(fèi)米能級(jí)（E_f）附近是連續(xù)的，表明了IrIn₂和Ir的金屬特性。IrIn₂的d帶中心（-1.57 eV）較Ir（-2.27 eV）相比更接近E_f，上移的d帶中心可以增強(qiáng)Ir位點(diǎn)與吸附中間體的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高催化活性；

對(duì)于HER反應(yīng)：在酸性溶液中，與fcc Ir（111），fcc Pt（111）和bct In（111）相比，fco IrIn₂（008）和fco IrIn₂（111）的ΔG_H*值接近零，更接近理想的HER催化劑，證實(shí)了IrIn₂具有高的電催化活性；在堿性溶液中，IrIn₂催化劑上的水解能壘（ΔG_B）和IrIn₂催化劑上的ΔG_H*低于fcc Ir和fcc Pt。因此，IrIn₂催化劑在1.0 M KOH中表現(xiàn)出低的過(guò)電位和高活性。

對(duì)于OER的機(jī)理：OER的電勢(shì)控制步（PDS）是*O + H₂O → *OOH + H⁺+ e^?。如在酸性O(shè)ER中，IrIn₂（008）（1.67 eV）和（111）（1.73 eV）的ΔG低于Ir（111）（1.82 eV）和In（111）（2.09 eV），表明與In的合金化有效降低了OER的能壘。在堿性環(huán)境下，IrIn₂的PDS的ΔG也是最低的。

此外，差分電荷和Bader電荷的計(jì)算結(jié)果也有力證明了IrIn₂催化劑中Ir位點(diǎn)和*O和*OOH中間體存在更強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移有利于提高電催化OER性能。計(jì)算結(jié)果與上述討論的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。結(jié)構(gòu)有序IMCs的制備為未來(lái)設(shè)計(jì)具有高活性和穩(wěn)定性的水分解電催化劑提供了重要啟示。

Low-Iridium-Content IrIn₂ Intermetallics with an Unconventional Face-Centered Orthorhombic Phase for Efficient Overall Water Splitting. Adv. Funct. Mater., 2023, DOI: ?10.1002/adfm.202311683.

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魯啟鵬/王安良/夏靜AFM：IrIn2合金化，實(shí)現(xiàn)高效水分解電催化劑的有序設(shè)計(jì)

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