孙书会院士、张改霞教授、蒲宗华教授，Angew：“一石二鸟”：超快合成IrB1.15纳米晶催化剂，助力高效电解海水制备氯气和氢气

第一作者：刘婷婷

通讯作者：孙书会院士，张改霞教授，蒲宗华教授

单位：加拿大国立科学研究院、加拿大魁北克大学高等工程技术学院（ÉTS）、福建师范大学

氯气(Cl₂)是工业中常用的一种化学原料，在水处理、有机合成、聚氯乙烯等制造领域中有广泛的应用。工业生产氯气依赖于强酸性条件下电解饱和氯化钠的阳极析氯反应(CER)，与此同时，阴极析氢反应（HER）产生清洁能源-氢气。迄今为止，CER和HER都依赖于昂贵的贵金属Ir/Ru和Pt，这大大增加了电解的成本。因此，降低贵金属的用量，提升CER和HER是实现可持续发展目标的关键。

基于此，加拿大国立科学研究院孙书会院士、魁北克大学高等工程技术学院（ÉTS）张改霞教授、福建师范大学蒲宗华教授团队合作在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Ultrafast Synthesis of IrB_1.15 Nanocrystals for Efficient Chlorine and Hydrogen Evolution Reactions in Saline Water”的研究论文。该研究通过向贵金属Ir中引入硼（B）形成结构有序的IrB_1.15，随后利用IrB_1.15对盐水进行高效持久的电解，以产生氯气（Cl₂）和氢气（H₂）。IrB_1.15表现出优异的双功能催化活性和稳定性。

图1. 金属间化合物IrB_1.15纳米晶展现出良好的电解水析氯及制氢的性能。

借助焦耳热辅助策略，实现了快速将B原子有序地掺入到Ir晶格中。实现了结构有序的金属间化合物IrB_1.15的构筑。TEM、STEM-EDX mapping等图像证实小尺寸IrB_1.15纳米晶的形成。

图1 金属间化合物IrB_1.15的合成及形貌

要点二：金属间化合物IrB_1.15的结构分析

借助球差电镜，对特定区域的亮场和高角度环形暗场进行分析，可以观察到IrB_1.15原子排列沿[-110]取向。Ir和B原子分别占据了主体位置和间隙位置，且排列有序。X XRD证实纯相IrB_1.15的形成。通过Ir4f XPS图可知，引入B后，IrB_1.15的结合能相对于金属Ir发生了负位移(~0.2 eV)。这表明引入的B原子通过电负性的差异与Ir形成了供体-受体结构，为Ir原子创造了一个富电子的环境。

图2 金属间化合物IrB_1.15的球差电镜、XRD及XPS表征

要点三：金属间化合物IrB_1.15的CER析氯性能分析

金属间化合物IrB_1.15纳米晶展现出优异的CER析氯活性和稳定性：仅需75 mV的过电位就达到10 mA cm^-2的析氯电流密度，优于商业IrO₂以及大多数报道的Ru/Ir基CER电催化剂。同时该电极也展现出优异的稳定性，经过2000次循环扫描或连续工作90小时均未出现明显的活性衰减。

图3. 金属间化合物IrB_1.15的CER析氯性能

要点四：金属间化合物IrB_1.15的HER析氢性能分析

此外，金属间化合物IrB_1.15同样具有优异的HER析氢活性和稳定性：仅需12 mV的过电位就达到10 mA cm^-2的析氢电流密度，优于商业Pt/C及大多数报道的贵金属基HER催化剂。同时该电极也展现出优异的稳定性，经过1000次循环扫描或连续工作110小时均未出现明显的活性衰减。

图4. 金属间化合物IrB_1.15的HER析氢性能

要点五：金属间化合物IrB_1.15的CER及HER机理分析

DFT结果和原位Raman揭示IrB_1.15的CER和HER催化机制。计算表明，与商用IrO₂和Pt/C相比，IrB_1.15对Cl和H的吸附能明显接近于0 eV。从理论上证实IrB_1.15具有优异的CER和HER性能。此外，原位拉曼研究表明，在CER过程中，IrB_1.15中的Ir充当了CER的活性中心；而在HER过程中，B引入Ir原子晶格中，降低了H在Ir表面的吸附，有利于更快的氢解离形成氢气，从而提高IrB_1.15的HER性能。

图5 DFT 及Raman分析CER及HER机理

结论

金属间化合物IrB_1.15对 CER和HER均表现出优异的催化活性和强稳定性。它仅需要75和12 mV的过电位，就能分别在4.0 M NaCl和0.5 M H₂SO₄溶液中产生10 mA cm^-2的CER和HER电流密度。其性能可媲美最先进的商业催化剂（如IrO₂和Pt/C），而且与这些市售电催化剂相比，IrB_1.15还具有优越的长期耐久性。无疑，焦耳热辅助超快合成IrB_1.15金属间化合物，及其所表现出的优异析氯和析氢催化活性为金属硼化物材料的合成及应用开辟了新途径。

Ultrafast Synthesis of IrB_1.15 Nanocrystals for Efficient Chlorine and Hydrogen Evolution Reactions in Saline Water

主要研究领域：新能源转化与存储技术，例如氢能、锂电池、锌空电池、燃料电池等。

简介：魁北克大学高等工程技术学院Marcelle-Gauvreau 讲席教授，加拿大皇家科学院 College member. 其研究方向包括：

(1) 纳米材料：石墨烯、纳米碳管、氧化物、氮化物、复合材料，非铂和低铂催化剂等；

(2) 清洁能源器件与系统：燃料电池、锂电池、金属空气电池，电解水制氢等；

(3) 原位表征技术：原位同步辐射、原位红外光谱、电化学阻抗等；

(4) 理论计算：DFT, Thermodynamic modeling。

在Nature Communications, Nature Sustainability, Energy Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Angew. Chem. Int. Ed, ACS Energy Letters等国际著名期刊上发表论文160余篇，书籍章节10章，同时获得多个美国专利。

课题组网页：

孙书会教授：

加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大国立科学研究院教授，现任国际电化学能源科学院(IAOEES)副总裁、Springer-Nature 旗下期刊Electrochemical Energy Reviews (IF=28.4)执行主编，SusMat (IF=18.7)副主编，及10余种国际学术期刊的编委。长期致力于功能纳米材料的开发及其在清洁能源技术中的应用，包括燃料电池、绿色氢能、锂金属电池、金属空气电池、金属离子电池、二氧化碳转换等, 在Nature Commun., Nature Sustainability, Science Advances, Energy Environ. Sci., Adv. Mater.，JACS, Angew. Chem.等国际著名期刊上发表论文300余篇, 全球前2%顶尖科学家 (终身科学影响力)。主编英文专著5部，章节17章，同时获得多个美国专利。

课题组网页：

刘婷婷，福建师范大学讲师，硕士生导师。2020年在西南大学获博士学位，随后在加拿大魁北克大学高等工程技术学院和加拿大国立科学研究院开展博士后研究工作。主要研究方向为电解水制氢、有机小分子电催化、电化学分析传感等。已在Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、ACS Catal.等期刊发表SCI论文20余篇，申请/授权发明专利多项。获国家留学基金委博士奖学金、加拿大FRQNT 博士后奖学金等荣誉。

孙书会院士课题组和张改霞教授课题组常年招收化学、电化学、电能源转换与存储研究方向的博士生和博士后。