北化所/山大Nano Lett.：完全分散的IrOx原子团簇使赤铁矿在酸性环境中展现出优异的光电化学性能

光电化学(PEC)全解水被认为是收集太阳能和制备氢气的理想技术。迄今为止，虽然碱性环境下的全水解是应用最广泛的产氢方法，具有稳定性高、设备成本低等优点，但其产氢速率比在酸性介质中的产氢速率低2~3个数量级。酸性产氢的过电位主要来自于光电阳极的析氧反应(OER)，因此，开发在酸性条件下高效、廉价的OER催化剂仍然是所有水解技术的一大挑战。为了达到可接受的PEC全水解产氢效率，开发一种强大的光电阳极，可以匹配光电阴极并在酸性溶液中稳定，是非常需要的。

基于此，中国科学院化学所胡劲松、山东大学刘宏和王建军(共同通讯)等人报道了一种将完全分散的氧化铱(IrO_x)原子团簇引入到赤铁矿的策略，以提高催化剂在酸性溶液中的光电化学性能。

本文在酸性环境中测试了光电阳极的PEC性能，测试结果表明在黑暗中光电阳极Fe₂O₃在高达1.8 V的电位下显示出可忽略的电流密度，然而当打开灯时，从1.1 V开始就可以观察到明显的电流，这说明Fe₂O₃具有一定的光电性能。

相反，通过完全分散的IrO_x原子团簇的修饰，催化剂在黑暗中从1.4 V开始就可以观察到明显的电流密度。更重要的是，在1.23 V时，光电流密度急剧增加到1.35 mA cm^-2，这是目前已知的酸性环境中赤铁矿光电阳极材料的最佳PEC性能，这可以归因于催化剂表面反应动力学的改善以及Ir的氧化。

本文为了进一步证明设计的催化剂结构具有一定的优势，还采用电沉积法制备了铱改性赤铁矿的对比催化剂。测试结果表明，性能最佳的电沉积电极具有近3倍的Ir质量负载，但是其光电流密度仍然远低于目前的Fe₂O₃/Ir。此外，含有IrO_x原子团簇的Fe₂O₃/Ir在1.23 V的电位下具有172.70 A g^-1的高质量活性，几乎是电沉积光电阳极(52.90 A g^-1)的三倍。这些结果也证实了完全分散的氧化铱原子团簇修饰的赤铁矿具有较高的原子利用效率，表明本文提出了一个正确的策略。

为了深入理解IrO_x原子团簇能增强催化剂PEC性能的原因，本文进行了密度泛函理论(DFT)计算。由于在酸性条件下，催化剂的OER反应过程涉及^*OH、^*O和^*OOH三种反应中间体，因此本文计算了OER过程中每一步骤的自由能。显然，所有的结构模型的速率决定步骤都是从^*O形成^*OOH的质子-电子转移步骤。Fe₂O₃/Ir的ΔG由2.26 eV(Fe₂O₃)分别降至Ir单原子的2.03 eV和原子团簇的1.89 eV。

这一结果表明，IrO_x原子团簇的引入显著降低了速率决定步骤的能垒，从而增强了反应动力学，这也使的赤铁矿在酸性溶液中获得了创纪录的PEC性能。

此外，计算出的态密度(DOS)结果还表明，IrO_x团簇使Ir 5d轨道和O 2p轨道之间的相互作用更强，这有效的促进了含氧物质的吸附。更重要的是，Fe₂O₃/Ir的d带中心为-1.683 eV，显著高于纯Fe₂O₃(-2.671 eV)，这说明IrO_x的的引入促进了中间体的吸附/脱附，这再次证明引入IrO_x有助于提高催化剂的催化活性。总之，本工作为贵金属催化剂在各种催化反应中的应用提供了新的希望，也为未来的催化剂设计提供了思路。

Fully Dispersed IrO_x Atomic Clusters Enable Record Photoelectrochemical Water Oxidation of Hematite in Acidic Media, Nano Letters, 2023, DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00245.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00245.

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