浙大孙文平教授AM：用于OER的Ir/Ni(OH)2异质结构电催化剂- 大数跨境

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浙大孙文平教授AM：用于OER的Ir/Ni(OH)2异质结构电催化剂

科学材料站

2020-05-07

导读：本文作者设计了一种具有丰富异质界面的Ir/Ni(OH)2异质结构作为一种有效的电催化体系，将Ir纳米粒子均匀地限制在Ir/Ni(OH)2纳米片上。Ir/Ni(OH)2异质结构具有良好的多功能界面，在碱

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First published: 04 May 2020

浙江大学

关键词

电催化作用, 异质结构, 高价铱, 接口工程, 氧发生反应

导读

由于O—O键形成的高势垒和多个反应中间产物间标度关系的限制，开发高效的析氧反应电催化剂对水裂解制氢具有很大的挑战性。为了同时解决这些问题，作者设计了一种具有丰富异质界面的Ir/Ni(OH)₂异质结构作为一种有效的电催化体系，将Ir纳米粒子均匀地限制在Ir/Ni(OH)₂纳米片上。Ir/Ni(OH)₂异质结构具有良好的多功能界面，在碱性介质中表现出优异的OER活性和耐久性。本文的研究结果突出了异质结界面工程对合理设计和开发先进电催化剂的重要意义。

背景简介

1. 电催化剂面临的挑战

基本上，产生一个氧分子需要四个电子的转移，并涉及O—O键的形成。因此，发生在水电解槽正极的析氧反应（OER）比负极析氢反应（HER）更具挑战性。更重要的是，OER中多个中间产物的结合能是相互关联的，同时优化它们的结合能是一项艰巨的任务。因此，OER通常需要高的过电位，这将严重降低能量转换效率。另一方面，当这个标度定律被打破时，电催化剂很可能显示出高的OER活性。迄今为止，有报道几种方法可以打破这种标度限制，包括纳米限制、应变工程和双活性位点调制等等，所得的OER电催化剂不受限制，因而具有优异的电化学性能。

2. 异质结构工程简介

近年来，由于异质结构工程在设计具有独特性能的先进电催化剂方面的独特能力，它引起了人们的极大关注。一方面，不同组分之间的电子转移将调节其电子结构, 另一方面，独特的原子配位同时，异质界面处也会出现晶格应变，这两种应变都会影响电催化性能。此外，异质界面的形成所产生的协同效应也提供了打破标度关系的可能性。尽管异质结构工程的概念似乎很简单，但为了利用这种电催化剂的设计策略，必须为特定目的仔细选择各个组件

3. 假设的提出和验证

从设计异质结构OER电催化剂的角度来看，IrO2和Ir/Ni(OH)2是实现突破的合适基石。以往的研究表明，IrO2和NiOOH对OER中间产物的吸附具有互补性。具体来说，OH*和O*更倾向于分别吸附在Ir/Ni(OH)2和IrO2的表面上。因此，异质结构可以通过协同优化多个中间产物的吸附来促进OER过程。

为了证明作者的假设，作者评估了商业IrO2颗粒和已制备的Ni(OH)2纳米片（NSs）的物理混合物的OER活性，并且两种成分的混合物显示出显著增强的OER活性。

在有趣的初步结果的鼓励下，设计了在Ni(OH)2 NSs表面锚定了超细Ir纳米粒子（NPs）的Ir/ Ni(OH)2异质结构。OER后电催化剂的原位表征证明，界面上的强电子相互作用和独特的原子配位有效地稳定了亚稳红外（V）物种，从而促进了O—O键的形成，原位形成的IrOx与NiOOH之间丰富的界面不仅保证了活性位点的暴露，而且充分发挥了打破结垢限制的作用，充分发挥了异质结构工程的优势。

由于其独特的界面化学性质，Ni(OH)2异质结构表现出明显的OER活性增强和良好的耐久性。研究结果为利用异质结界面工程技术开发高效电催化剂开辟了新的途径。

文章介绍

近日, 浙江大学孙文平课题组在国际知名期刊Advanced Materials上发表了题为“An Ir/Ni(OH)2 Heterostructured Electrocatalyst for the Oxygen Evolution Reaction: Breaking the Scaling Relation, Stabilizing Iridium(V), and Beyond”的实验性文章, Guoqiang Zhao是本文的第一作者。

对于Ir/Ni(OH)2异质结构的合成，作者首先采用回流法制备Ni(OH)2 NSs，然后采用多元醇还原法将Ir NPs固定在Ni(OH)2 NSs上, 再借助XRD和TEM等工具进行材料表征和分析。

作者利用异质结界面工程的优势，开发出一种高效的Ir/Ni(OH)2 ORE电催化剂。由于合理的催化剂设计，电催化剂不仅具有较高的OER活性，而且具有良好的耐用性。原位生成的IrOx与NiOOH之间的协同作用打破了标度关系，导致OER动力学显著增强。同时，Ir物种与Ir/Ni(OH)2之间的强电子相互作用和Ir—O—Ni桥键稳定了亚稳态Ir（V）物种，这对O—O键的形成至关重要。此外，Ir/Ni(OH)2基底还保证了足够的活性位点的暴露。本文的研究结果突出了合理的异质结界面工程的优点，为开发更先进的电催化剂提供了新的设计原则。

文章亮点

图三: 原始样本的特征。

a,b) Ir 4f XPS spectra of Ir NPs (a) and Ir/Ni(OH)2 (b).

c) Ni K‐edge XANES spectra of Ni foil, standard Ni(OH)2 powders, Ni(OH)2 NSs, and Ir/Ni(OH)2.

d) Ir LIII‐edge XANES spectra of Ir foil, standard IrO2 powders, Ir NPs, and Ir/Ni(OH)2.

e) Ni K‐edge EXAFS spectra of Ni(OH)2 and Ir/Ni(OH)2.

f) Ir LIII‐edge EXAFS spectra of Ir NPs and Ir/Ni(OH)2.

g–j) WT for the k3‐weighted EXAFS signal of the Ni K‐edge of Ni(OH)2 NSs (g), the Ni K‐edge of Ir/Ni(OH)2 (h), Ir LIII‐edge of Ir NPs (i), and Ir LIII‐edge of Ir/Ni(OH)2 (j).

图四: Ir NPs, Ir/Ni(OH)2, Ni(OH)2, and Ir black 三种材料的性能比较

a) Geometric area‐normalized LSV curves of Ir NPs, Ir/Ni(OH)2, Ni(OH)2, and Ir black.

b) Ir mass‐normalized LSV curves of Ir NPs, Ir/Ni(OH)2, and Ir black.

c) Overpotentials of Ir NPs, Ir/Ni(OH)2, and Ir black.

d) TOF values at 1.53 V and the required overpotential to achieve a TOF of 3.0 s−1 for Ir/Ni(OH)2, Ir NPs, and Ir black.

e) Tafel slopes of Ir NPs, Ir/Ni(OH)2, and Ni(OH)2 derived from geometric area‐normalized LSV curves.

f) iR‐corrected cell voltage at 10 mA using Ir/Ni(OH)2 as both HER and OER catalyst.

图五: OER 后样品的材料表征。

a,b) Ir 4f XPS spectra of Ir NPs‐OER (a) and Ir/Ni(OH)2‐OER (b).

c) Ir LIII‐edge XANES spectra of, standard IrO2 powders, Ir NPs‐OER, and Ir/Ni(OH)2‐OER.

d) Ni K‐edge XANES spectra of Ni(OH)2‐OER and Ir/Ni(OH)2‐OER.

e) Ni K‐edge EXAFS spectra of Ni(OH)2‐OER and Ir/Ni(OH)2‐OER.

f) Ir LIII‐edge EXAFS spectra of Ir NPs‐OER and Ir/Ni(OH)2‐OER.

g–j) WT for the k3‐weighted EXAFS signal for the Ni K‐edge of Ni(OH)2‐OER (g), the Ni K‐edge of Ir/Ni(OH)2‐OER (h), the Ir LIII‐edge of Ir NPs‐OER (i), and the Ir LIII‐edge of Ir/Ni(OH)2‐OER (j).

图六: 微观结构及模型模拟

a) TEM

b) HRTEM images of Ir/Ni(OH)2‐OER.

c) The corresponding FFT patterns of (b).

d–f) IFFT images generated by selecting the FFT patterns in the insets, corresponding to IrO2 (d), NiOOH (e), and both IrO2 and NiOOH (f).

g) Illustration of the proposed OER mechanism. First, OH* and O* are adsorbed on Ni(OH)2 and IrOx, respectively (green arrows). Then, the two intermediates are combined at the interface, accelerating the formation of OOH* (yellow arrows). Finally, O2 is generated via desorption of OOH* (purple arrows).

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000872

导师简介:

孙文平, 浙江大学材料科学与工程学院教授, 博士生导师。Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Letters等期刊以通讯作者或第一作者发表论文70余篇，论文累计被引6000余次，H-index 43 (Google Scholar)。先后受邀为Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A等期刊撰写综述论文多篇。担任Frontiers in Chemistry (Electrochemistry Section)和Materials for Renewable and Sustainable Energy期刊编辑(Associate Editor), Chemistry-An Asian Journal客座编辑以及中国化学快报(Chinese Chemical Letters)青年编委。长期担任ARC、SNSF等项目评审人，以及Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Science Advances, Joule, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Catalysis, Nano Energy, ACS Nano, Chem. Sci.等60余个主流学术期刊审稿人。