浙大孙文平教授AEM：外延生长的Ir团簇的界面电荷转移促进氢氧化反应

第一作者：刘丹卿 博士

通讯作者：孙文平 教授

通讯单位：浙江大学

前言介绍

随着对能源危机和环境污染的日益关注，氢能作为一种可行的化石燃料替代品越来越受到关注。氢燃料电池能够以清洁高效的方式将氢能转化为电能，正在成为绿色能源行业最具发展前景的技术之一。与质子交换膜燃料电池相比，阴离子交换膜燃料电池 (AEMFC) 具有与较温和的碱性电解质相关的多项优势，包括可以使用不含铂族金属 (PGM) 的催化剂，延长整个燃料电池装置的使用寿命。即使在商业 Pt/C 电催化剂的情况下，阳极氢氧化反应 (HOR) 在碱性介质中的缓慢动力学也显着限制了 AEMFC 的性能。因此，许多努力致力于开发活性 HOR 电催化剂和降低 PGM 负载量。尽管进行了这些广泛的研究，但在碱性介质中实现 HOR 活性并深入了解其机理仍然具有挑战性。

最近的研究表明，负载型亚纳米簇催化剂 (SNCC) (<2 nm) 由于其独特的几何和电子结构以及簇内原子之间的协同效应，可以表现出增强的催化性能。 支持的 SNCC 还表现出高原子利用效率，并且可以在催化反应中暴露比相应纳米颗粒更多的活性原子。同时，与具有均匀隔离催化位点的单原子催化剂相比，负载型SNCCs可以为不同中间体的吸附和活化提供丰富的活性位点。支持的 SNNC 中丰富的（近）界面金属原子负责优化多个反应步骤中涉及的吸附行为。它们可以通过界面电荷转移和界面化学键合等金属-载体相互作用进行灵活修饰，从而降低反应能垒，构成新的反应路线，并表现出独特的催化活性。

目前用于调整电催化剂的金属-载体相互作用的一种策略是异质结构中的外延生长。外延生长通常有利于两种材料之间的界面电子转移，从而显着提高催化性能。例如，Co-Ni3N 纳米线的晶格限制效应已被证明可以有效地促进外延界面处的电子转移。这与高度促进的析氢反应 (HER) 和析氧反应活性直接相关，这可以稳定 H 吸附原子并快速解吸 OH-。在 HOR 的应用领域，Ru 簇部分被限制在 TiO2 晶体的晶格中，导致电子从 TiO2 载体转移到 Ru 金属并形成 Ru-Ti 键。高度填充的 Ru 4d 带有助于抗氧化能力和 CO 吸附的阻碍。通过同时削弱晶格限制效应产生的表面亲氧性和氢结合能 (HBE)，提高了酸性和碱性介质中的 HOR 性能。

Ir 基电催化剂的碱性 HOR 催化活性鲜有报道，与 Pt 基电催化剂不同。与 Pt 相比，Ir 金属在碱性溶液中的 HOR 催化能力较差，尽管它与羟基物质 (OHad) 的相互作用比 Pt 更活跃。为了改善 Ir 催化剂的 HOR 动力学，Ir 与 Ni和 Mo 等过渡金属合金化，负载在氮掺杂的碳上，并与 Pd 纳米片杂化， 可以实现 HBE 和氢氧化物结合能之间的最佳平衡。在这些基于 Ir 的异质结构中已经证实了界面电荷转移，这对促进 HOR 活性起着重要作用。然而，如何精确调节界面电荷转移仍然是设计先进的 HOR 电催化剂的挑战。姜等人报道了碱性HOR活性可以通过改变IrFe合金纳米颗粒（NPs）表面上Fe物质的浓度来改变。IrFe/C NPs 在用痕量的 Fe 物种 (D-IrFe/C) 脱合金过程后，调节了从 Fe 物种到 Ir 的电荷转移，从而获得了中等的 OH 吸附以促进 HOR 活性。

本文要点

1. 报告了 Ir 纳米团簇 (<2 nm) 在 MoS2 表面 (Ir/MoS2) 上的外延生长，并通过调整 Ir 团簇和 MoS2 之间的界面电荷转移来优化碱性 HOR 活性。从 MoS2 到 Ir 簇的电子转移可以有效地防止 Ir 簇的氧化，而使用相同方法合成的碳负载 Ir 纳米簇 (Ir/C) 则不是这种情况。

2. 此外，通过精确退火处理调整氢结合能（HBE），可以进一步优化 Ir/MoS2 的 HOR 性能。在碱性介质中实现了 1.28 mA cmECSA-2 的显着交换电流密度，是 Ir/C 的 10 倍。Ir/MoS2 异质结构的 HOR 质量比活性高达 182 mA mgIr-1。

3. 实验结果和密度泛函理论计算表明，HOR活性的显着提高归因于HBE的降低，这凸显了外延生长是提高异质结构催化剂催化活性的有效途径。

转自：“我要做科研”微信公众号

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