氢气是一种丰富而清洁的能源，水电解作为一种有效、低污染的制氢方式引起了研究人员及产业界的广泛关注。与传统的碱性电解水制氢相比，质子交换膜水电解是一种非常有应用前景的制氢技术。为了驱动热力学以及动力学缓慢的酸性析氧反应以实现有效的质子交换膜水电解，贵金属（铱、钌）基催化剂的使用必不可少。然而，贵金属（钌、铱）析氧电催化剂的较高成本、材料极低的丰度以及较差的稳定性严重阻碍了质子交换膜水电解的商业化进程。因此，开发高效稳定的铱基或钌基催化剂成为质子交换膜水电解发展中的重点以及难点。近日，伊比利亚国际纳米技术实验室的刘利峰（点击查看介绍）研究团队联合中国科学院金属研究所李波（点击查看介绍）研究团队在酸性析氧电催化剂的开发以及研究中取得重要的进展。他们采用一步水热法的策略，首次设计并合成了一种高效的IrRu@Te电催化剂。酸性以及中性析氧活性研究表明，制备得到的IrRu@Te电催化剂在强酸性、弱酸性以及中性条件下均表现出极好的电化学析氧性能。
图1 IrRu@Te催化剂形貌及微结构表征。(a, b) TEM, (c) HRTEM, (d, e) STEM, (f) IrRu晶格示意图, (g) 元素分布.
TEM、STEM以及EDX分析表明，制备得到的IrRu@Te催化剂呈现出多孔结构，颗粒尺寸大约是40-50 nm。同时，IrRu纳米团簇呈现出fcc的晶体结构，平均尺寸大约是2.2 nm，均匀覆盖在无定形Te颗粒的表面。
图2 IrRu@Te催化剂OER性能表征。(a-e) 0.5 M H2SO4析氧活性: (a) 表观活性, (b) Tafel斜率, (c) 电化学比表面积归一化活性, (d) 质量比活性, (e) 催化剂活性对比。(f) 不同电解质中IrRu@Te析氧活性对比, (g) 0.5 M H2SO4中催化剂的稳定性表征。
活性测试表明，制备得到的IrRu@Te催化剂在强酸（0.5 M H2SO4）中呈现出较高的析氧催化活性。例如，在电流密度为10以及100 mA cm-2时，过电位仅为220以及303 mV。过电位270 mV时，质量比活性可达590 A gIrRu−1。10 mA cm-2下，持续测试20 小时，性能未出现降低。同时，在弱酸（0.05 M H2SO4）以及中性（PBS）条件下，IrRu@Te催化剂依然呈现出较高的催化活性。例如，只需要245以及309 mV，即可达到10 mA cm-2。
图3 DFT计算。(a, b) IrRu@Te以及IrRu催化剂表面析氧反应路径, (c, d) 1.45 V下，IrRu@Te以及IrRu催化剂表面析氧反应吉布斯自由能计算, (e) IrRu@Te以及IrRu催化剂PDOS计算。
DFT计算表明，相对于无支撑的纯IrRu催化剂来讲，IrRu@Te催化剂中IrRu纳米团簇与Te纳米颗粒支撑之间的电子耦合可以显著降低催化剂表面析氧反应的能垒。
这一研究成果近日发表于ACS Catalysis。文章的第一作者为伊比利亚国际纳米技术实验室的许军元博士、卫斌博士以及中科院金属研究所的连赞。通讯作者是伊比利亚国际纳米技术实验室的刘利峰、王中长以及金属研究所的李波。
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Strong Electronic Coupling between Ultrafine Iridium–Ruthenium Nanoclusters and Conductive, Acid-Stable Tellurium Nanoparticle Support for Efficient and Durable Oxygen Evolution in Acidic and Neutral Media
Junyuan Xu, Zan Lian, Bin Wei, Yue Li, Oleksandr Bondarchuk, Nan Zhang, Zhipeng Yu, Ana Araujo, Isilda Amorim, Zhongchang Wang*, Bo Li,* Lifeng Liu*
ACS Catal., 2020, 10, 3571-3579, DOI: 10.1021/acscatal.9b05611
刘利峰博士介绍
刘利峰博士本科毕业于北京交通大学应用物理系，于2004及2007年在中科院物理所分别取得硕士及博士学位。2007年前往德国马普微结构物理所做博士后研究，并于2008年被提升为课题组长，2010年转为staff scientist。2011年，刘利峰博士加入新成立的伊比利亚国际纳米技术实验室并创建纳米能源存储与转换材料研究组，致力于电化学/光电化学水电解催化剂及二次离子电池电极材料的研究。研究组目前承担欧盟、葡萄牙基金委以及区域研究项目多项，获资助170余万欧元。
https://www.x-mol.com/university/faculty/49700
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