质子交换膜水电解，特别是由可再生电力驱动，是一种可持续的绿色制氢战略。然而，开发高活性和稳定的电催化剂来加速析氧反应(OER)仍然是一个挑战。在此，我们介绍了一种有效的策略来构建具有丰富氧空位的高价金属掺杂IrOx，同时提高酸性OER的催化活性和稳定性。合成的掺Ta的IrOx (350-Ta@IrOx)具有超微纳米颗粒形态和丰富的表面氧空位</a>，实现了快速的OER过程，在10 mA cm-2下具有223 mV的低过电位，在1.55 V</a> vs RHE下的质量活度(1207.4 a gIr−1)比商用IrO2高147.7倍。更重要的是，350-Ta@IrOx具有优异的稳定性，在10 mA cm2下电解500 h后，电位几乎没有下降，这是由于低工作电位和通过Ta掺杂抑制氧空位活性位点的溶解和氧化。密度泛函理论计算表明，Ta掺杂和氧缺陷工程在促进水分子的亲核攻击方面是有效的，从而加速了在Ta掺杂IrOx上实现高催化OER活性的速率决定步骤。我们期望本研究能为通过高价金属掺杂获得活性稳定的电催化剂提供有效的方法。
350-Ta@IrOx的形态表征。(a) TEM图像;(b)有格距的HR-TEM图像;(c) SAED图像;(d-g)元素映射图像。
(a) Ta@IrOx电催化剂和工业IrO2的XRD谱图。(b) 350-Ta@IrOx的Ir 4f XPS光谱。(c) 350-Ta@IrOx的Ta 4f XPS光谱。(d) 350-Ta@IrOx、400-Ta@IrOx和450-Ta@IrOx的O 1s XPS光谱。
(a) 350-Ta@IrOx、400-Ta@IrOx、450-Ta@IrOx和商用IrO2的LSV曲线。(b)Tafel。(c) 350-Ta@IrOx和350-IrOx的CP曲线。(d) 350-Ta@IrOx与其他代表性酸性OER电催化剂的比较。(e)350-Ta@IrOx和商业IrO2OER之后电流保持率。(f) 350-Ta@IrOx和350-IrOx经过OER后的XPS光谱。
(a)在Ta掺杂IrOx上形成*OH、*O和*OOH的四步OER过程。(b)预测Ta掺杂IrOx上酸性OER的自由能谱(*表示催化剂的活性位点)。
综上所述，我们开发了一种高价金属(Ta)掺杂策略来制备无定形IrOx纳米颗粒，同时提高酸性OER的催化活性和稳定性。优化后的350-Ta@IrOx活性高，过电位低，为223 mV，在10 mA cm−2下稳定性为500 h。令人印象深刻的是，350-Ta@IrOx电催化剂具有更高的本质催化活性，其质量活性是(1207.4 A gIr−1)商用IrO2的147.7倍。DFT研究表明，Ta掺杂和缺陷工程通过促进H2O分子的亲核攻击和降低RDS的能垒，在提高IrOx的高活性方面发挥了重要作用。此外，Ta掺杂稳定了氧空位结构，有效减轻了Ir的氧化和溶解，从而有助于350-Ta@IrOx的长期稳定性。本研究为通过高价金属掺杂工程提高电催化剂的活性和稳定性提供了有效的设计原则，并为电催化剂失活提供了深刻的认识。
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
