由可再生電力驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)水分解被認(rèn)為是一種很有前景的制氫技術(shù)。與工業(yè)上成熟的堿性水電解相比，利用質(zhì)子交換膜(PEM)技術(shù)的酸性水分解具有高能效和高效的氣體分離效率等優(yōu)點(diǎn)。然而，酸性水分解的一個(gè)重大阻礙在于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，特別是對(duì)于復(fù)雜的四電子OER過程。此外，強(qiáng)腐蝕性的酸性環(huán)境容易導(dǎo)致電催化劑的溶解和降解，最終降低整體水反應(yīng)效率。
目前，基于貴金屬的IrO2(或RuO2)和Pt/C分別被認(rèn)為是對(duì)OER和HER的最先進(jìn)的電催化劑。但是，貴金屬稀缺的儲(chǔ)量、高昂的成本和較低的雙功能活性嚴(yán)重抑制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。因此，開發(fā)能夠在酸性介質(zhì)中有效驅(qū)動(dòng)OER和HER的雙功能電催化劑具有重要意義，但仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
近日，海南大學(xué)陳琦和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)賀貝貝等通過自上而下的部分溶出策略成功地合成了Ir@SrIrO3異質(zhì)結(jié)，并將其作為高效且穩(wěn)定的酸性水分解催化劑。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，在0.5 M H2SO4溶液中，Ir@SrIrO3催化劑在10 mA cm?2電流密度下的OER和HER過電位分別為229和28 mV，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的反應(yīng)穩(wěn)定性。
此外，利用Ir@SrIrO3異質(zhì)結(jié)分別作為陽(yáng)極和陰極組裝的電解槽僅需1.49 V的電壓就能產(chǎn)生10 mA cm?2的電流密度，并且在該電流密度下該電解槽能夠穩(wěn)定運(yùn)行超100小時(shí)，顯示出巨大的商業(yè)化應(yīng)用前景。
密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，電子在Ir@SrIrO3異質(zhì)結(jié)的界面區(qū)域富集，促進(jìn)了電子從金屬Ir轉(zhuǎn)移到SrIrO3鈣鈦礦，改變了界面電子結(jié)構(gòu)。這種與電子重新分配的金屬載體相互作用有助于調(diào)節(jié)關(guān)鍵中間體的吸附行為，降低反應(yīng)的能壘；并且，表面缺少電子的貴金屬位點(diǎn)也可以作為電催化反應(yīng)的活性中心，加速反應(yīng)的進(jìn)行。
總的來說，該項(xiàng)工作通過自上而下的出溶路線確保了溶出納米顆粒與主體材料之間強(qiáng)烈的金屬載體相互作用，為設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的酸性水分解催化劑提供了新策略。
Partial exsolution enables superior bifunctionality of Ir@SrIrO3 for acidic overall water splitting. Advanced Science, 2024. DOI: 10.1002/advs.202309750
