广东工业大学|林展教授JMCA：纳米IrO2@非晶态Ir-MOFs复合材料用于高效电催化分解水- 大数跨境

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广东工业大学|林展教授JMCA：纳米IrO2@非晶态Ir-MOFs复合材料用于高效电催化分解水

科学材料站

2020-11-19

导读：这项工作提出了一种简单的一锅法制备纳米级IrO2颗粒与无定形Ir基MOFs复合材料（IrO2@Ir-MOF）。MOFs可以充当载体和/或模板以固定和/或保护IrO2纳米颗粒催化剂，同时MOFs的配位不

文章信息

纳米IrO2@非晶态Ir-MOFs复合材料用于高效电催化分解水

第一作者：李垒

通讯作者：林展，高学会

单位：广东工业大学，浙江师范大学

研究背景

随着人们对能源的需求和对环境问题的日益关注，全球都在努力发展可再生电力驱动的可持续电化学水分解技术。

析氧反应（OER）作为能量转换过程中重要的电化学过程之一，如碱性条件下的工业水裂解，在整个工艺过程中起着至关重要的作用，由于OER反应的四电子转移过程使之一直存在动力学慢、过电位大等问题，从而阻碍了其应用。因此，探索低电化学过电位的高性能催化剂仍然是一个重大的挑战。

文章简介

近日，广东工业大学的林展教授课题组在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上以“Fabricating nano-IrO2@amorphous Ir-MOFs Composites for Efficient Overall Water Splitting: One-pot Solvothermal Approach”的文章。

该工作对OER催化剂材料的发展具有重要的指导意义。作为基准OER电催化剂的氧化铱（IrO2）具有相当高的活性和良好的耐久性。传统的纳米级尺寸的IrO2用于水氧化主要基于其丰富的表面活性中心，但面临高表面能导致纳米粒子的团聚，从而导致活性位点被掩盖；同时常规的IrO2催化剂纳米粒子需要负载在特定基质上从而提高OER活性，但是底物的添加会明显减少了催化组分。因此，设计合适的基材负载纳米IrO2是提高催化性能和利用率有效手段。

在众多备选材料中，金属-有机骨架（MOFs）通常表现良好的OER/HER催化性能，且可促进纳米颗粒的分散并提供固定和保护作用。这项工作提出了一种简单的一锅法制备纳米级IrO2颗粒与无定形Ir基MOFs复合材料（IrO2@Ir-MOF）。结构表征显示，该材料由纳米级IrO2纳米颗粒包覆在低结晶度的Ir-MOF中构成（图1）。

MOFs可以充当载体和/或模板以固定和/或保护IrO2纳米颗粒催化剂，同时MOFs的配位不饱和的金属位点还表现为催化活性位点。因此，在基于Ir的aMOF中结合使用活性IrO2纳米颗粒可实现1+1>2的催化活性。

图1. IrO2@Ir-MOF的结构表征。

本文要点

要点一：IrO2@Ir-MOF组成

IrO2@Ir-MOF的X-射线粉末衍射数据显示在4.4°和8.6°的衍射峰与CTOF-1w和CTOF-1e的模拟图对比表明样品中含有结晶度较差的MOF结构的晶体成分。拉曼光谱表现出典型的金红石型晶格中的Ir-O振动。结合高分辨透射数据表明IrO2@ Ir-MOF材料中纳米级IrO2纳米颗粒和低结晶度Ir-MOF的存在。

图2. IrO2@Ir-MOF的结构表征。

要点二：IrO2@Ir-MOF用于析氧反应

将IrO2@Ir-MOF材料用于析氧反应时，材料表现出优异的催化活性和稳定性能。具体的，在1 M KOH电解液中，IrO2@Ir-MOF-ppy仅需要207 mV的过电势就可达到10 mA cm-2的电流密度，并可稳定运行20小时。同时IrO2@Ir-MOF-ppy表现不错的HER催化性能。

图3. IrO2@Ir-MOF的OER性能。

要点三：IrO2@Ir-MOF的全解水性能

在1 M KOH电解液中进行的全解水测试表明，IrO2@Ir-MOF||IrO2@Ir-MOF体系在水分解反应中显示出良好的活性（1.53 V）和稳定性。

图4. IrO2@Ir-MOF的全解水性能。

文章链接

Fabricating nano-IrO2@amorphous Ir-MOFs Composites for Efficient Overall Water Splitting: One-pot Solvothermal Approach

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta09168e#!divAbstract

通讯作者介绍

林展，教授、博士生导师

国家高层次海外引进人才，博士毕业于美国北卡州立大学，博士毕业后分别在美国橡树岭国家实验室与加州绕伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究，现为广东工业大学电化学纳米能源工程实验室负责人。长期在新能源领域特别是能量存储与转化领域从事材料制备及应用基础研究，在新型储能及催化材料领域取得了系列创新性成果。迄今为止，共发表SCI学术论文100余篇，其中在影响因子大于10的学术期刊上发表了50多篇论文，包括Chem. Rev., Energy Environ. Sci., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等，申请美国及中国专利多项并出版数章节中英文著作，研究成果被世界上30多个国家与地区SCI引用高达8000多次，H-index=36。

课题组介绍

本课题组致力于先进功能材料的设计合成及其在能源存储与转换中的应用研究，近期主要围绕以下两个研究方向开展工作：

1. 高性能光/电催化剂合成及其应用，包括电解水制氢、燃料电池以及光-电/光-热催化等。

2. 新型储能器件相关的电极材料/粘结剂研究，包括锂离子电池、锂硫电池、锌离子电池等。

课题组主页：http://www.eneelab.com