刘斌/Cong-Qiao Xu/杨洪斌教授等Nat Comm：铱纳米簇双功能电催化剂的配位工程助力高效通用pH值的整体水分解- 大数跨境

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刘斌/Cong-Qiao Xu/杨洪斌教授等Nat Comm：铱纳米簇双功能电催化剂的配位工程助力高效通用pH值的整体水分解

科学材料站

2020-09-06

导读：本文制备了了一种高效、耐用的双功能电催化剂，合成的Ir-NSG催化剂在所有pH条件下都表现出比大多数报道的最先进的HER和OER催化剂更好的活性，并且特别的质量活性超过基准的商业Pt/C和Ir/C催化

文章信息

第一作者：Qilun Wang

通讯作者：刘斌，Cong-Qiao Xu，杨洪斌

单位：南洋理工大学南方科技大学苏州科技大学

文章简介

电解水为缓解全球能源和环境危机提供了一种有希望的能量转换和存储技术，然而，目前仍然缺乏高效和pH通用的电催化剂来增强阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）的反应动力学。

基于此，新加坡南洋理工大学刘斌教授，南方科技大学的Cong-Qiao Xu和苏州科技大学的杨洪斌老师在国际顶级期刊Nature Communications(影响因子：12.121) 上发表题为“Coordination engineering of iridium nanocluster bifunctional electrocatalyst for highly efficient and pH-universal overall water splitting”的研究工作。

本文制备了了一种高效、耐用的双功能电催化剂，即将均匀分散、超细的Ir纳米团簇嵌入在N，S掺杂的石墨烯上（Ir-NSG），其可用于HER和OER。合成的Ir-NSG催化剂在所有pH条件下都表现出比大多数报道的最先进的HER和OER催化剂更好的活性，并且特别的质量活性超过基准的商业Pt/C和Ir/C催化剂。

该文章第一作者为南洋理工大学的Qilun Wang，南洋理工大学的刘斌老师，南方科技大学的Cong-Qiao Xu老师，苏州科技大学的杨洪斌老师为本文共同通讯作者。

要点解析

要点一：分散在N，S掺杂石墨烯上的Ir纳米团簇的结构表征

图1.

a. 在77 K下测定了Ir-NSG的氮吸附等温线。插图显示了相应的BJH孔径分布曲线。

b. 亮场透射电镜图像（插图显示了样品区内200个数量的红外纳米团簇的相应粒径分布），比例尺：20 nm。

c. 亮场HRSTEM图像和黄色方块中选定区域的相应FFT（插图），刻度条：TEM和FFT图案分别为5 nm和5 nm−1。

d. 暗场干像和EDX元素映射，比例尺：5 nm。

e. 高分辨率XPS-Ir 4 f光谱。

f. Ir和IrO2的Ir NSG的Ir L3-edge XANES光谱（插图显示了积分WL强度作为5d能带空穴（Δd）的函数，该值由金属Ir（5d7）和IrO2（5d5）校准）。

g. Ir-NSG和金属Ir的EXAFS光谱的傅里叶变换。

要点二：Ir-NSG催化剂在中性电解质中具有优异的HER和OER性能。

图2.

. a. 在Ar饱和的1 M PBS中，Ir-NSG和Pt/C的极化曲线以1 mV s−1的扫描速率获得。插图显示了Ir-NSG的计时电位。

b. 比较Ir-NSG和Pt/C在−0.015 V（vs. RHE）下的过电位（@10 mA cm−2）和金属质量比活度（jm）。

c. Ir-NSG和Pt/C对应的Tafel图。

d. 中性介质中各种最新HER催化剂的过电位（@10 mA cm−2）和塔菲尔斜率的比较。

e. 在1 mV s−1扫描速率下获得的Ir-NSG和Ir/C的极化曲线。插图显示了Ir-NSG的计时电位。

f. Ir-NSG和Ir/C的过电位（@10 mA cm−2）和1.53 V下金属质量比活度（vs. RHE）的比较。

g. 在中性介质中，各种最先进的OER催化剂的Ir-NSG和Ir/C.h过电位（@10 mA cm−2）和Tafel斜率的比较的相应Tafel图。

要点三：HUPD和甲醇氧化实验的结果表明，Ir-NSG催化剂高的本征催化活性来源于优化的氢和氧中间体结合能，利用DFT和原位XAFS研究证实了这种最佳结合能是由Ir中心与N和S键合的独特电子态和配位环境引起的。

图3.

a.全pH范围内Ir-NSG和Pt/C的HBE比较.

b. 用（实线）和不带（虚线）0.1μM甲醇的1 M PBS中，以50 mV−1的扫描速率记录Ir-NSG和Ir/C的稳态CV曲线。虚线是甲醇氧化起始电位的基础。

c. IrS*.IrN*和Pt（111）在U=0 V下HER的自由能图。

d. IrS*.IrN*和IrC*位点上U=1.23 V下OER的自由能图。灰色，蓝色，黄色，粉色，红色，橙色和青色的小球分别代表C，N，S，H，O，Ir和Pt原子。

e. 环境条件下1 M PBS中不同偏压下的归一化操作数红外L3-edge XANES光谱。插图显示了综合WL强度作为5d能带空穴的函数。

f. 在不同电位偏压下，在Ir-NSG的Ir-L3-edge采集的EXAFS光谱的k2加权傅立叶变换量。所有数据均经i-R校正后收集。

要点四：Ir-NSG催化剂在所有pH值下用作全解水的阳极和阴极电极时，表现出卓越的性能，在电流密度达到10 mA cm-2，在中性、酸性和碱性电解液中的总分水过电位分别为300，190和220 mV，其有望作为下一代水分解技术的有前途的高效电催化剂。

图4.构建的全水分解电池的数码照片。

b. 1GM PBS，c. 0.1 M HClO4和d. 1 M KOH中，Ir-NSG和Ir/C-Pt/C耦合水电解池的LSV曲线。扫描速率为5 mV s-1。插图显示了在10 mA cm-2的计时电位曲线。

结论

本文将均匀分散、超细的Ir纳米团簇嵌入到N、S掺杂的石墨烯上(记为Ir-NSG)获得了了一种高效且稳定的双功能电催化剂。该催化剂具有优异的HER和OER性能，在所有pH条件下均表现出优于大多数已报道的最先进的HER和OER催化剂的活性，并且具有优异的质量活性，优于基准商业Pt/C和Ir/C催化剂。欠电位沉积氢（HUPD）和甲醇氧化实验的结果表明，Ir-NSG催化剂高的本征催化活性来源于优化的氢和氧中间体结合能，其可以促进HER和OER的动力学。

在原子水平上，密度泛函理论（DFT)和Operando X射线吸收精细结构(XAFS)研究证实了这种最佳结合能是由Ir中心与N和S键合的独特电子态和配位环境引起的。Ir-NSG催化剂在所有pH值下直接作为水电解池中的阳极和阴极电极时，都表现出卓越的性能，面电流密度达到10 mA cm-2，在中性、酸性和碱性电解液中的总分水过电位分别低至300，190和220 mV，有望作为下一代水分解技术的有前途的高效电催化剂。

文章链接

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18064-w

Coordination engineering of iridium nanocluster bifunctional electrocatalyst for highly efficient and pH-universal overall water splitting

通讯作者介绍

刘斌南洋理工大学副教授

Bin Liu received his B.Eng. (2002) and M.Eng. (2004) in chemical engineering from the National University of Singapore and Ph.D. in chemical engineering from University of Minnesota (2011). He also worked as a postdoctoral researcher (2011-2012) in the Department of Chemistry at University of California, Berkeley. He is currently an Assistant Professor in School of Chemical and Biomedical Engineering at Nanyang Technological University. Bin has extensive experience in synthesis of nanostructured materials and has been working on nanostructured materials for energy conversion and energy storage for more than 10 years.

Research Interests：

Architected nanomaterials for solar-to-fuel and solar-to-electric conversion.
Photocatalysis for air and water treatment.
Nanocomposites.

Electrocatalysis.

杨洪斌苏州科技大学教授，硕士导师

主要研究兴趣包括无机纳米材料合成制备，及其在光电催化，洁净能源及生物医疗中的应用。包括：1：配位结构可调的单原子催化剂可控及低成本批量制备。2：单原子催化剂在能源存储转化，小分子转化合成及生物医药领域中的应用。3：基于单原子催化体系的催化反应机理研究，如二氧化碳还原，产氢，氧还原反应。4：高效低成本电化学制氢催化剂及器件研制。已在Nature Energy, Science Advance, Chem，Energy Environ. Sci., ACS Nano, J. Am. Chem. Soc., Angewandte Chem. Int. Ed., Adv. Energ. Mater., 等期刊发表论文100余篇。引用数量>8800次, h-index: 47（google scholar）。