質子交換膜水電解，特別是由可再生電力驅動，是一種可持續的綠色制氫戰略。然而，開發高活性和穩定的電催化劑來加速析氧反應(OER)仍然是一個挑戰。在此，我們介紹了一種有效的策略來構建具有豐富氧空位的高價金屬摻雜IrOx，同時提高酸性OER的催化活性和穩定性。合成的摻Ta的IrOx (350-Ta@IrOx)具有超微納米顆粒形態和豐富的表面氧空位</a>，實現了快速的OER過程，在10 mA cm-2下具有223 mV的低過電位，在1.55 V</a> vs RHE下的質量活度(1207.4 a gIr−1)比商用IrO2高147.7倍。更重要的是，350-Ta@IrOx具有優異的穩定性，在10 mA cm2下電解500 h後，電位幾乎沒有下降，這是由於低工作電位和通過Ta摻雜抑制氧空位活性位點的溶解和氧化。密度泛函理論計算表明，Ta摻雜和氧缺陷工程在促進水分子的親核攻擊方面是有效的，從而加速了在Ta摻雜IrOx上實現高催化OER活性的速率決定步驟。我們期望本研究能為通過高價金屬摻雜獲得活性穩定的電催化劑提供有效的方法。
350-Ta@IrOx的形態表徵。(a) TEM圖像;(b)有格距的HR-TEM圖像;(c) SAED圖像;(d-g)元素映射圖像。
(a) Ta@IrOx電催化劑和工業IrO2的XRD譜圖。(b) 350-Ta@IrOx的Ir 4f XPS光譜。(c) 350-Ta@IrOx的Ta 4f XPS光譜。(d) 350-Ta@IrOx、400-Ta@IrOx和450-Ta@IrOx的O 1s XPS光譜。
(a) 350-Ta@IrOx、400-Ta@IrOx、450-Ta@IrOx和商用IrO2的LSV曲線。(b)Tafel。(c) 350-Ta@IrOx和350-IrOx的CP曲線。(d) 350-Ta@IrOx與其他代表性酸性OER電催化劑的比較。(e)350-Ta@IrOx和商業IrO2OER之後電流保持率。(f) 350-Ta@IrOx和350-IrOx經過OER後的XPS光譜。
(a)在Ta摻雜IrOx上形成*OH、*O和*OOH的四步OER過程。(b)預測Ta摻雜IrOx上酸性OER的自由能譜(*表示催化劑的活性位點)。
綜上所述，我們開發了一種高價金屬(Ta)摻雜策略來製備無定形IrOx納米顆粒，同時提高酸性OER的催化活性和穩定性。優化後的350-Ta@IrOx活性高，過電位低，為223 mV，在10 mA cm−2下穩定性為500 h。令人印象深刻的是，350-Ta@IrOx電催化劑具有更高的本質催化活性，其質量活性是(1207.4 A gIr−1)商用IrO2的147.7倍。DFT研究表明，Ta摻雜和缺陷工程通過促進H2O分子的親核攻擊和降低RDS的能壘，在提高IrOx的高活性方面發揮了重要作用。此外，Ta摻雜穩定了氧空位結構，有效減輕了Ir的氧化和溶解，從而有助於350-Ta@IrOx的長期穩定性。本研究為通過高價金屬摻雜工程提高電催化劑的活性和穩定性提供了有效的設計原則，並為電催化劑失活提供了深刻的認識。
High-valence metal-doped amorphous IrOx as active and stable electrocatalyst for acidic oxygen evolution reaction - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64517-6
