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Nature Commun.:介稳态单斜相氧化铱纳米带用于高效析氧反应电催化剂

日期: 来源:催化计收集编辑:


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【文章信息】
第一和共一作者:廖凡、尹奎、纪玉金
通讯作者:邵琪*
单位:苏州大学
【研究背景】
介稳相材料具有独特的晶相和相表面结构,通常表现出优于稳定相的催化性能。合成结构明确的介稳相材料将有利于对其性质与功能进行深入研究,建立清晰的构效关系。制备新结构的氧化铱材料用于高效OER电催化剂为电解水制氢技术的发展带来了很大的机遇。但是从热力学角度来说,介稳相的形成能高于稳定相,要建立一个在常规环境中结构明确的热力学介稳态晶格,同时具有较大的比表面积以暴露大量活性位点,需要克服众多的困难,这就给介稳相的合成带来了巨大的挑战。
【文章简介】
近日,苏州大学材化部邵琪副研究员在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Iridium Oxide Nanoribbons with Metastable Monoclinic Phase for Highly Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution”的文章。该文章结合强碱环境、高温和力化学法,首次得到了单斜相氧化铱纳米带,并解释了纳米带的拓扑形成原因,当将它应用于电化学催化水氧化反应时,取得了很好的催化性能。
【本文要点】
要点一:首次获得新的介稳相-单斜相IrO2
原料氯化铱在强碱,高温和研磨的条件下,反应生成了单斜氧化铱纳米带。
图1:单斜相IrO2纳米带的形貌和结构表征。
要点二:解释了单斜相IrO2纳米带的拓扑生成机理
在氧化铱纳米带生成过程中检测到了单斜相铱酸钾的生成,发现铱酸钾中的[Ir-O6]是通过先共棱连接,两排共棱连接的[Ir-O6]再共顶点连接。在高温下,铱酸钾被氧化,共顶点连接被打断,生成了[Ir-O6]共棱连接的IrO2纳米带,在整个过程中,原先铱氧八面体共棱的拓扑结构仍然不变。
图2:单斜IrO2纳米带结构形成过程示意图。
要点三:优异的电催化性能
单斜IrO2纳米带展现出优越的OER催化活性。在0.5 M硫酸溶液中,它的过电位只有205 mV@10mA/cm2。这是由于[Ir-O6]独特的排列方式降低了Ir的d带中心,使催化剂对析氧中间体具有合适的OH吸附自由能,从而提高了OER催化活性。
要点四:前瞻
介稳相材料具有独特的热、电、磁学性质,能够为研究材料结构和性能的关系提供非常优秀的模型。但是目前常用的介稳相合成方法如模板法,外延生长法等都会受到基底材料的影响,难以获得纯相的纳米介稳相材料,这大大限制了它们的应用。这种借助于强碱、高温和研磨于一体的方法已经成功制备了多种介稳相材料,有必要对介稳相的生成过程进行深入研究,为以后设计制备介稳相材料提供更多的理论指导。
【文章链接】
Iridium Oxide Nanoribbons with Metastable Monoclinic Phase for Highly Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36833-1
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