電催化水分解技術可以將太陽能和風能轉化為清潔且可儲存的氫能，有望緩解當今世界面臨的能源危機和環(huán)境問題。水分解包括兩個半反應，陰極的析氫反應(HER)和陽極的析氧反應(OER)。質子交換膜酸性電解槽具有產氣易分離、成本低、副產物少、質子傳導率高等優(yōu)點。在酸性溶液中，高質子濃度為HER過程提供了動力學優(yōu)勢，使其在低過電位下達到大電流。
然而，OER過程是一個惰性的四電子過程，通常需要很高的過電位來驅動電催化劑工作，而高過電位下的酸性環(huán)境會導致金屬基活性中心的快速溶解，從而導致催化劑嚴重失活。因此，設計和開發(fā)在酸性介質中具有高活性和穩(wěn)定性的電催化劑對推動水電解技術的發(fā)展至關重要。基于此，華南理工大學沈葵和溫州大學錢金杰等通過簡單的金屬有機骨架模板和雙氰胺輔助熱解策略，在碳布(CC)上構建了碳納米管包覆的IrCo合金納米粒子，形成了自支撐的雙功能電催化劑IrCo@CNT/CC。實驗結果顯示，與多孔碳納米片負載的IrCo合金納米粒子相比，碳納米管負載的IrCo合金納米粒子具有更好的雙功能活性和穩(wěn)定性。在0.5 M H2SO4溶液中，IrCo@CNT/CC在10 mA cm-2電流密度下的HER和OER過電位分別為26和241 mV。此外，當IrCo@CNT/CC同時作為陽極和陰極組裝的電解槽只需要1.50 V的超低電壓就可以達到10 mA cm-2的電流密度，并且可以保持長達90 h的穩(wěn)定性。實驗結果和理論計算表明，與純Ir和IrCo納米顆粒相比，Co摻雜IrCo合金納米顆粒提高了氫吸附自由能，加快了氫脫附生成氫氣的速率，降低了析氫反應能壘，有利于實現高效析氫反應；對于OER，Co摻雜IrCo合金納米顆粒上*OH轉化為*O的能壘降低，加快了OER反應動力學，使得IrCo@CNT/CC催化劑具有優(yōu)異的雙功能催化活性?？偟膩碚f，該項研究為合理設計和合成碳納米管包覆的金屬合金納米粒子作為穩(wěn)定酸性水分解的高效雙功能催化劑提供了思路。IrCo Nanoparticles Encapsulated with Carbon Nanotubes for Efficient and Stable Acidic Water Splitting. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c02887
