徐维林/肖建平等人Angew.：Ir单原子掺杂Fe-LDH提高OER催化活性和稳定性！

研究内容

多相催化剂是可再生能源利用、绿色化学和碳中和等化学过程中的关键。从活性组分和载体的角度充分了解负载型纳米催化剂催化性能的来源，对于实现高性能具有重要意义。

         

中国科学院长春应用化学研究所徐维林、中国科学院大连化学物理研究所肖建平和不莱梅大学Thomas Frauenheim基于用于析氧反应(OER)的单铱(Ir)原子掺杂铁(Fe)基层状双氢氧化物(LDH)电催化剂，揭示了这种负载型纳米催化剂催化性能的完整来源。除了LDH载体增强Ir位点的活性外，掺杂Ir位点还增强了表面Fe位点的稳定性。相关工作以“Improved Electrocatalytic Activity and Stability by Single Iridium Atoms on Iron-based Layered Double Hydroxides for Oxygen Evolution”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

         

研究要点

要点1. 作者首先通过简单的水热浸渍法合成了一系列在还原氧化石墨烯纳米复合材料上生长的原子分散Ir掺杂的MFe-LDH纳米复合材料(Ir/MFe-LDH/rGO，M=Co，Ni，Cu)。

         

要点2. 单原子Ir和LDH之间的相互作用形成Ir-O-M键，提高了Ir的利用率和Fe的稳定性，有效地提高Ir/MFe-LDH/rGO纳米复合材料的OER活性和稳定性。结果显示，Ir/MFe-LDH/rGO表现出优异的OER活性和优异的OER稳定性。

         

要点3. DFT计算表明，Ir位点可以降低附件Fe位点活性，同时增强其稳定性；进一步的有限元模拟表明，远距离Fe位点的稳定性增强可归因于高活性Ir位点周围的OER反应物(氢氧根离子，OH^-)的快速消耗所引起的其周围OH^-的低浓度。

         

这些关于主要活性成分和载体之间相互作用的新发现原则上适用于其他非均相纳米催化剂，并为非均相催化剂的催化性能提供了完整的理解。

         

研究图文

图1.（a）Ir/CoFe-LDH/rGO的水热浸渍过程的示意图。（b）CoFe-LDH、（c）CoFe-LDH/rGO和（d）Ir/CoFe-LDH/rGO的FESEM。（e）Ir/CoFe-LDH/rGO的Cs校正STEM。（f）Ir/CoFe-LDH/rGO的HAADF-STEM和Co、Fe、Ir的相应EDS元素。Ir/CoFe-LDH/rGO、IrO₂和Ir箔在Ir L₃-edge的（g）归一化XANES和（h）EXAFS光谱。（i）Ir-CoFe-LDH/rGO的实验和拟合的Ir L₃-edge EXAFS，插图：Ir/CoFe-LDH/rGO的Ir中心的第一壳层配位，红色和绿色球体分别代表O和Ir原子。

图2. Ir/CoFe-LDH/rGO、CoFe-LDH/rGO、IrO₂和CoFe-LDH的（a）OER极化曲线，（b）10、50和200 mA cm^-2下的过电位以及（c）相应Tafel图。（d）Ir/CoFe-LDH/rGO、CoFe-LDH/r GO、IrO₂、和CoFe-LDH的Nyquist图。插图：等效电路。

图3.（a）Ir/CoFe-LDH/rGO和CoFe-LDH/rGO在200 mA cm^-2下在1.0 M KOH和1.0 M NaOH电解质中的计时电位曲线（黑圈表示电解质的更换）。（b）（左）Ir/CoFe-LDH/rGO和CoFe-LDH/rGO在1.0 M KOH电解质中60小时计时电位法(200 mA cm^-2)的Ir、Co和Fe含量的浓度。（右）Ir/CoFe-LDH/rGO和CoFe-LDH/rGO仅浸泡60小时后，1.0 M KOH电解质中Ir、Co和Fe的浓度。（c）dE/dt(电位对时间的导数)值基于稳定性测试400小时内Ir/CoFe-LDH/rGO在1.0 M KOH电解质中的计时电位测量曲线(dE/dt＜0表示催化剂处于活性增强状态，dE/dt＞0表示催化剂活性下降状态)。（d）稳定性测试400小时内Ir、Co和Fe在1.0 M KOH电解液中的溶解速率。

图4.（a）OOH*吸附能与OH*吸附能之间的线性标度关系。（b）在IrO₂(110)、CoFe-LDH(100)-Co、CoFe/LDH(100)-Fe表面上在0 V vs RHE下OER的反应自由能图。潜在的限制步骤用箭头标记。插图：Ir/CoFe-LDH(001)表面上速率限制步骤的能垒。（c）Ir/CoFe-LDH(001)表面OER反应中间体的结构。（d）从活性中心和载体的角度来看，Ir/CoFe-LDH(001)表面催化性能的来源示意图。

图5.（a）Fe-Co和（b）Ir-Fe-Co构型模型的顶视图。作为Fe-Co构型的225个球形粒子的阵列，该阵列顶部的四个球形粒子充当Ir原子。字母A、B、C、D、E、F、G和H表示对角线上的八个Fe位点，Ir1和Ir2是对角线中心的两个Ir原子。（c）Fe-Co和Ir-Fe-Co构型上的八个Fe位点（A-H）和两个Ir位点上的OH浓度。

         

文献详情

Improved Electrocatalytic Activity and Stability by Single Iridium Atoms on Iron-based Layered Double Hydroxides for Oxygen Evolution

Jing Cao, Tong Mou, Bingbao Mei, Pengfei Yao, Ce Han, Xue Gong, Ping Song, Zheng Jiang, Thomas Frauenheim,* Jianping Xiao,* Weilin Xu*

         

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202310973