Science：高活性IrOx/SrIrO3析氧反应催化剂

【引言】

电解水过程包含析氢（HER）和析氧（OER）两个半反应，由于析氧反应过程反应动力学缓慢，成为了电解水制氢的瓶颈[¹]。无论是HER还是OER，均需要催化剂来降低电化学反应过电位（过电位是给定的电化学过程中，施加的电压和热力学反应电动势之间的差值）。

目前OER催化剂要达到10 mA cm^-2的比活性，至少需要320 mV以上的过电位。在碱性电解质中表现出高活性和稳定性的贵金属或非贵金属催化剂过多，在酸性电解质中，仅有IrO_x和RuO_x这两类催化剂可以在低于750 mV的过电位下达到5 mA cm^-2的比活性[²]。

【成果简介】

来自斯坦福大学的Thomas F. Jaramillo教授的研究团队围绕IrO_x/SrIrO₃，开发了一种在酸性电解质中具有高活性和高稳定性的OER催化剂[³]。该催化剂在连续测试30 h中，过电位为270-290 mV（比活性为10 mA cm^-2时）。在酸性电解质中，OER性能胜过已知的IrO_x和RuO_x催化体系（320 mV²）。

图文导读：

图1 材料表征

钛酸锶薄膜表面沉积的SrIrO₃后，30小时的OER反应，使得表面粗糙度增加，Sr从SrIrO₃表面浸出，切表面有IrO₃或IrO₂形成。

(A) SrIrO3薄膜AFM的面扫和线扫图（OER测试30小时前后）；

(B) 钛酸锶和IrO2样品的粗糙度因子（RF）和粗糙度均方根(RMS)（单位为纳米）；

(C) 100纳米的SrTiO3膜的X射线衍射；

(D) 100纳米的SrIrO₃薄膜Ir 4f 和Sr 3d 峰 光电子能谱（XPS）以及 (E) OER测试30小时后，薄膜表面的各元素的相对量深度溅射信息。

【注】a.u.：任意单位。

图2 电催化数据

在酸性电解质中，OER测试30小时前后，比活性为10 mA cm^-2时的过电位在270-290 mV，催化性能远胜已知的IrO_x和RuO_x催化体系。

(A) OER测试30小时前后，比活性为10 mA cm^-2时的电位比较；

(B) 酸性介质OER反应中的塔费尔曲线。

图3 DFT理论计算

DFT计算表明，在电化学测试过程中，SrIrO₃表面层中会发生Sr浸出，在Sr浸出后，表面形成IrO₃或者金红石型IrO₂，表面层具有高活性。

(A) 理论过电位(η) O* and OH* 结合能；

(B-I) IrO_x和SrIrO₃表面反应过程的理论模型(strontium, green; iridium, blue; oxygen, red)；

(J) 黑圈表示OH* and OOH* 结合能的比例关系（灰线及阴影区域总结自文献中的过渡金属及其氧化物）；

【注】G：吉布斯自由能； ML：单层。

展望：

文章亮点在于所制备的IrO_x/SrIrO₃催化剂有着优异的OER性能，表面析出的IrO_x纳米粒子增强了催化活性。虽然未有解释表面Sr的浸出以及IrO_x催化反应的机理，但其理论计算做了催化性能增强的有力证明。该工作为研究OER酸性介质催化剂提供了新的方向，继续将电解水制氢工业化向前推进。

文献链接： A Highly Active and Stable IrO_x/SrIrO₃ Catalyst for the Oxygen Evolution Reaction (Science, 2016, DOI:10.1126/science.aaf5050)

相关文献链接：

[1]Single layer graphene encapsulating non-precious metals as high-performance electrocatalysts for water oxidation

[2]Benchmarking Hydrogen Evolving Reaction and Oxygen Evolving Reaction Electrocatalysts for Solar Water Splitting Devices.

本文由材料人编辑部新能源学术组 pamperhey 供稿，点我加入编辑部。

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