電化學(xué)水分解制氫是可再生能量轉(zhuǎn)換最有前途的方法之一。在眾多電化學(xué)分解水技術(shù)中，質(zhì)子交換膜電解水(PEMWE)技術(shù)因其電流密度大、氫氣純度高、動(dòng)態(tài)工況啟動(dòng)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。整個(gè)水分解過(guò)程包括析氧反應(yīng)(OER)和析氫反應(yīng)(HER)兩個(gè)半反應(yīng)，它們都需要有效的催化劑來(lái)降低電化學(xué)反應(yīng)過(guò)電位。
但與堿性電解水體系相比，酸性電解水的腐蝕性更強(qiáng)，對(duì)催化劑的穩(wěn)定性提出了更高的要求。特別是，陽(yáng)極催化材料在高極化電位下更容易加速材料的溶解，導(dǎo)致催化活性急劇下降。此外，非均相材料在水分解過(guò)程中的表面轉(zhuǎn)化/重構(gòu)也引起了人們的廣泛關(guān)注。這種轉(zhuǎn)化過(guò)程使催化劑的研究復(fù)雜化。因此，目前有必要開(kāi)發(fā)在酸性環(huán)境下高效且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的電催化劑，以提高其酸性水分解的活性和耐久性，并深入理解其作用機(jī)理。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳長(zhǎng)征課題組成功地實(shí)現(xiàn)了具有亞納米孔的高度結(jié)晶的Ir3Ni納米籠(Ir3Ni NC)的可控生長(zhǎng)，并且其具有優(yōu)異的酸性整體水分解性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，亞納米孔和納米籠特性的存在使Ir3Ni具有最佳的內(nèi)表面暴露，有助于提高Ir的利用率；同時(shí)，在反應(yīng)過(guò)程中，材料表面發(fā)生重構(gòu)，在此過(guò)程中Ni的摻入有助于降低酸性O(shè)ER速率控制步驟的能壘，并優(yōu)化原始Ir3Ni對(duì)HER電催化的氫吸附自由能。因此，與非摻入樣品相比，Ir3Ni NC的重構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生更高的本征OER和HER電催化活性。此外，與非結(jié)構(gòu)化IrNi相比，Ir3Ni NC高度結(jié)晶的性質(zhì)使其具有更好的穩(wěn)定性和催化耐久性。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，在酸性條件下，Ir3Ni NC催化劑在10 mA cm?2電流密度下的OER和HER過(guò)電位分別為282和18.5 mV，并且其在長(zhǎng)期電解過(guò)程中仍保持良好的活性，顯示出優(yōu)異的反應(yīng)穩(wěn)定性。此外，利用Ir3Ni NC作為雙功能電催化劑組裝的PEMWE達(dá)到0.5 A cm?2電流密度所需的槽電壓僅為1.77 V，并能夠在100 mA cm?2電流密度下連續(xù)工作超190個(gè)小時(shí)，顯示出巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力。綜上，該項(xiàng)工作不僅對(duì)Ir合金的構(gòu)效關(guān)系提供了基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)，也為合理設(shè)計(jì)酸性水分解催化材料提供了有效策略。Highly crystalline iridium–nickel nanocages with subnanopores for acidic bifunctional water splitting electrolysis. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c01379
