李爽/程冲JACS：生物启发的质子泵促进铁电HfO2耦合Ir催化剂上的产H2

研究内容

通过在催化剂中引入设计良好的氢溢出路径，可以大大加速析氢反应动力学的改善。然而，人们对催化剂表面氢迁移的驱动力和机制知之甚少，也很少深入探讨。

受HfO 2 、Mn 4 CaO 5 中的Mn−O−Ca位点和氢化酶中的Fe−Fe位点的特定铁电性质的启发，四川大学李爽/程冲构建了一种与Ir催化剂偶联的仿生HfO 2 （Ir/HfO 2 @C)具有从HfO 2 到界面的碱性氢反向溢出效应和从Ir到界面的酸性氢溢出效应。受益于pH控制的双向氢溢出途径、Ir/HfO 2 @C在酸性和碱性电解质之间显示出窄的过电位差。Ir/HfO 2 @C显示出显著的质量电流密度和翻转频率值，远远超过基准Ir/C的20.6倍。Ir/HfO 2 @C在10 mV cm -2 的海水和碱性海水中分别实现了146和39 mV的极低过电位。配备Ir/HfO 2 @C作为阴极的阴离子交换膜水电解槽，在2.22 V和1.0 A cm −2 下表现出优异而稳定的H 2 析出性能。相关工作以“Bioinspired Proton Pump on Ferroelectric HfO2‑Coupled Ir Catalysts with Bidirectional Hydrogen Spillover for pH-Universal and Superior Hydrogen Production”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.作者通过使用铁电HfO 2 与Ir团簇耦合，构建了一个仿生Ir/HfO 2 @C具有从HfO 2 到MSI的碱性氢反向溢出效应和从Ir到MSI的酸性氢溢出效应的电催化剂。其中，Hf-O-Ir位点分别与Mn 4 CaO 5 中的Mn-O-Ca位点相似，Ir-Ir位点与氢化酶中的Fe-Fe位点相似。

要点2.HfO 2 具有强烈的Hf-OH*亲和力特征，导致快速的水解离能力，可提供了丰富的H覆盖和反向溢出。在碱性条件下，特别是在大电流密度下，HfO 2 上的铁电极化可以进一步加速H*和电子在施加电场下的传输。受益于这些由pH值控制的双向氢溢出途径，Ir/HfO 2 @C在酸性和碱性电解质之间显示出窄的过电位差。

要点3.Ir/HfO 2 @C在75 mV的过电位下，显示出显著的质量电流密度（3.84 A mg Ir −1 ）和翻转频率（TOF）值（3.83 s −1 ），远远超过基准Ir/C（0.186 A mg Ir -1 和0.185 s −1 ）。Ir/HfO 2 @C在10 mV cm -2 的海水和碱性海水中分别实现了146和39 mV的极低过电位。配备Ir/HfO 2 @C作为阴极的阴离子交换膜水电解槽（AEMWE），在2.22 V和1.0 A cm −2 下表现出优异而稳定的H 2 析出性能。

该研究结果为设计仿生催化材料提供了一种新的概念，用于高效和pH通用的电化学制氢。

研究图文

图1. 具有Mn−O−Ca位点的Mn 4 CaO 5 活性中心和具有Fe−Fe位点的[FeFe]氢酶启发了具有Hf−O−Ir对位点和簇合Ir位点双功能催化中心的Ir/HfO 2 @C催化剂，用于构建碱性和酸性条件下析氢的双向溢出路径。

图2. 电催化HER性能。

图3. 氢溢出效应的实验证据。

图4. 机理分析的理论计算。

图5. 海水制氢和AEMWE装置性能。

文献详情

Bioinspired Proton Pump on Ferroelectric HfO 2 ‑ Coupled Ir Catalysts with Bidirectional Hydrogen Spillover for pH-Universal and Superior Hydrogen Production

Wenjie Shao, Zhenyu Xing, Xiaohui Xu, Daoping Ye, Rui Yan, Tian Ma, Yi Wang, Zhiyuan Zeng, Bo Yin, Chong Cheng,* Shuang Li*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c08100

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