同济/柏林工大/马普所Nat. Commun.：Ir-Co3O4高效的催化酸性条件下的OER

设计出活性稳定、经济高效的酸性析氧电催化剂是研制质子交换膜水电解槽的关键。基于此，同济大学马吉伟教授、德国柏林工业大学Peter Strasser和德国马普固体化物所胡志伟教授（共同通讯作者）等人报道了一种简单而经济的策略，通过机械化学方法制备原子分散的Ir原子掺杂在尖晶石Co₃O₄（Ir-Co₃O₄）中。通过引入微量Ir（~1.05 at%），Ir-Co₃O₄在酸性介质中电流密度为10 mA cm^-2时，OER过电位显著降低至236 mV，明显低于Co₃O₄（412 mV）。在过电位为300 mV时，Ir-Co₃O₄的归一化质量活度和TOF均比商用IrO₂高近两个数量级。同时，在Co₃O₄晶格中加入Ir单原子后，稳定性更久。

通过DFT计算，作者研究了OER的机理及其对Ir-Co₃O₄的协同作用。Ir-Co₃O₄上的电荷密度差表明，Ir掺入Co₃O₄可有效地调节电荷的再分配，Ir原子倾向于失去电子，离域电子聚集在邻近Ir-O键周围。

此外，Ir-Co₃O₄的d-带中心位置高于Co₃O₄，d-带中心的正移有利于催化剂表面与吸附体之间的相互作用。预测态密度（pDOS）表明，Ir的引入在Ir-Co₃O₄中产生了新的杂化电子态，导致在费米能级附近的总态密度（TDOS）变宽，而Co₃O₄的TDOS显示出带隙，表明Ir单原子的引入使Co₃O₄具有金属性质，比Co₃O₄具有更好的电子导电性，从而加快OER动力学。

通过对Co 3d、O 2p和Ir 5d pDOS的检验，作者研究了Ir原子与Co₃O₄的协同作用，观察到pDOS中Ir 5d轨道与Co 2p轨道有很大的重叠，表明Co与Ir原子之间具有强相互作用和更多共价性。作者首先计算了Ir位的电位决定步骤（PDS），结果表明Ir-Co₃O₄和IrO₂的极限步骤都发生在O*到OOH*的转换上。它们对应的PDS值分别为0.288 eV和0.378 eV，表明Ir-Co₃O₄具有较低的能垒和较好的OER性能。

此外，Co位上的计算表明，Co₃O₄上的PDS主要来源于H₂O向OH*的转变，势垒为1.31 eV。在Ir-Co₃O₄上，随着OOH*的形成，PDS发生变化，相应的能垒进一步降低至1.11 eV，突出了Ir单位点对OER的促进作用。

Iridium single atoms incorporated in Co₃O₄ efficiently catalyze the oxygen evolution in acidic conditions. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-35426-8.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35426-8.

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