第一作者：Qian Dang, Haiping Lin, Zhenglong Fan, Lu Ma
通讯作者：邵琪，Shi-Ze Yang，李有勇，黄小青，邵名望
通讯单位：亚利桑那州立大学，厦门大学，苏州大学
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26336-2
文章亮点
1.为催化应用寻找具有最大原子利用率、高活性和出色稳定性的最佳材料一直是一个巨大的挑战，在这项工作中，作者首次通过在强碱性介质中结合机械化学和热处理的合成策略，报告了铱金属烯氧化物：1T-IrO2。
2. 此外，作者采用计算模拟，首次证明了1 T相中优化的Ir活性位点和超薄二维结构是高性能酸性OER催化的关键。其中，1T-IrO2 的催化起源可归因于 Ir 原子上结合羟基的优化自由能增加。
3. 从材料角度，铱金属烯氧化物此其未被报道，此后在催化应用中仍存在大量待挖掘的领域；从合成角度，报道的结合机械化学和热处理的合成策略扩展了贵金属烯家族的种类，值得进一步的关注和研究。
要点速览
新材料在材料科学领域的探索至关重要。为催化应用寻找具有最大原子利用率、高活性和出色稳定性的最佳材料，需要对材料结构进行智能设计。在此，作者通过在强碱性介质中结合机械化学和热处理的合成策略报告了铱金属烯氧化物：1T-IrO2。
该材料在酸性电解质中的过电位为 197 毫伏，表现出高的析氧反应活性。此外，它在 1.50 V 电压下，实现了 4.2 sUPD-1 (3.0 sBET-1) 的高转换频率。此外，在质子交换膜装置中，在 250 mA cmgeo-2 的高电流密度下，1T-IrO2 在 126 小时计时电位测量后，也几乎没有降解。理论计算表明，1T-IrO2 中， Ir 的活性位点在 *OH 形成过程中提供了最佳的自由能，从而提高了性能。这种 1T-金属烯氧化物材料的发现将为催化和其他应用提供新的机会。
前沿导读
日益严重的全球能源环境危机要求高效生产可再生能源。电化学水分解为实现有效的能量转换提供了一种有前景的方法，但其最大的挑战来自阳极析氧反应 (OER) 的缓慢动力学以及强酸性环境中的恶劣工作条件。更重要的是，科学界需要开发在酸性 pH 条件下的OER 催化剂，因为它们直接影响质子交换膜 (PEM) 是否在工业上可行。
氧化铱 (IrO2) 是目前唯一可以在苛刻的酸性 OER 条件下保持稳定的材料，但其在很大程度上受到其较差的活性和超低地球丰度的阻碍。因此，设计具有优异活性和稳定性以及高原子利用率的 IrO2 催化剂成为突破瓶颈的核心问题。
寻找低维的 IrO2 材料为克服这一困境提供了一种有前途的策略。由于其独特的原子排列、键合几何结构、电子结构和意想不到的表面环境，可以彻底改变析氧催化作用。此外，二维 (2D) 材料在成本效益方面非常适用于表面敏感反应，因为它们的原子利用率接近 100%，可提供最大密度的表面活性位点。它还通过有利的传质、强的机械行为和可调的电子特性为催化优化提供了理想的平台。表面能可能随着晶体厚度的变薄而增加，相的稳定性也会随着层厚度的减小而增加。这些特征可能会深入了解维度工程在发现先进材料中的作用。
图文速读
图 1：用于制备 1T-IrO2 的机械热反应器示意图，其中机械和热操作同时控制。蓝色和黄色球分别表示 IrCl3 和 KOH。
图 2：1T-IrO2 的结构表征。
图 3：a 1T-IrO2、金红石-IrO2 和 Ir 箔的 Ir-LIII 边缘 XANES。b 模拟 T 相 IrO2 和 H 相 IrO2 的 Ir-LIII 边缘 XANES，并与 1T-IrO2 的实验结果进行比较。c 1T-IrO2、金红石-IrO2 和 Ir 箔的k2-归一化 Ir-LIII 边缘 EXAFS。d 1T-IrO2 的k2-归一化 Ir-LIII 边缘 EXAFS，其中突出显示了 Ir-O6 和 Ir-Ir6 壳。e 层状 1T-IrO2 的原子结构。f-h 晶格常数为 a = b = 3.11 Å 和 c = 6.91 Å 的 1T-IrO2 晶胞示意图。精细结构模型是基于 XRD 和像差校正的 HAADF-STEM 分析获得的。Ir 和 O 分别由蓝色和红色球体表示。
图 4：1T-IrO2 的 OER 性能。
图 5：1T-IrO2 的 OER 机理。
结论与展望
总之，结果表明，作者已通过机械热法成功制备了金属烯氧化物1T-IrO2。1 T相中优化的Ir活性位点和超薄二维结构是高性能酸性OER催化的关键。计算表明，OER 中 1T-IrO2 的催化起源可归因于 Ir 原子上结合羟基的优化自由能增加。该研究开辟了一种用于合成二维材料的机械热方法，并显示出可持续能源催化在实际应用和物理机理理解方面的巨大潜力。
暂无评论
发表评论