铱单原子与有机分子和钴铁氢氧化物面外配位促进OER

单原子催化剂的进步对于提高析氧反应（OER）性能，同时减少贵金属的使用至关重要。对潜在机制的全面了解将进一步加快这一进程。本文报道了Ir单原子在氢氧化铁（Ir1/(Co,Fe)-OH/MI）上与二甲基咪唑（MI）平面外配位。该Ir1/(Co,Fe)-OH/MI催化剂在电流密度为10 mA cm - 2时的过电位为179 mV，在电流密度为600 mA cm - 2时的过电位为257 mV， Tafel斜率为24 mV dec - 1。此外，Ir1/(Co,Fe)-OH/MI的总质量活度比工业IrO2高出58.4倍。从头算模拟表明，MI的配位导致电子在Ir位点周围重新分布。这导致相邻Ir和Co位点的d波段中心发生正位移，促进了OER的最佳能量途径。

a， TEM显微照片与相应的SAED图像。b，综合TEM和HR-TEM图像。c， AFM表征。d,e， HAADF-STEM图像。空穴(d)、Ir单原子(e)、TEM图像及相应元素图。g、高分辨率元素图。h，三维原子重叠强度值表示。i，沿e虚线矩形的强度分布图。注：i中的M代表Co或Fe。

a， XRD图谱。b， XANES光谱。c，从Ir L3-edge XANES得到的各种Ir的价态。d，归一化Ir L3边缘FT-EXAFS光谱。e， Ir L3边缘FT-EXAFS的小波变换光谱。f,g, Ir1/(Co,Fe)-OH/MI的FT-EXAFS光谱拟合结果。实部(f)虚部(g)

a，扫描速率为5 mV s−1时，1 M KOH下的LSV曲线。b、10 mA cm - 2、100 mA cm - 2、300 mA cm - 2和600 mA cm - 2过电位。c，塔菲尔。d，报道的基于氢氧化物的贵金属单原子OER电催化剂的过电位和Tafel图的比较。e、基于ECSA活性。f，活性相对于催化剂质量归一化。g，ICP-MS表征的TOF。h，电化学阻抗谱。i, Ir1/(Co,Fe)-OH/MI在10 mA cm - 2, 100 mA cm - 2和300 mA cm - 2时的计时电流测量。

a，催化剂的差分电荷密度，其中黄色和绿色区域分别代表电子积累和消耗。b， Ir站点的PDOS。c， Co站点的PDOS。d， Fe位的PDOS。e, Ir1/(Co,Fe)-OH中Ir位的吉布斯自由能图。f, Ir1/(Co,Fe)-OH/MI中Ir位的吉布斯自由能图。g, Ir1/(Co,Fe)-OH/MI中与Ir相邻的Co位的吉布斯自由能图。h，提出了Ir1/(Co,Fe)-OH/MI中相邻Ir Co位点OER的4e−机制。注：星号为吸附活性部位。

a、水分解示意图。b，扫描速率为5 mV s−1时，1 M KOH下的LSV曲线。c，水分解电压在10 mA cm−2,300 mA cm−2,500 mA cm−2,600 mA cm−2和800 mA cm−2。d，水分解电压（10mA cm - 2）的比较报道的羟基基OER电催化剂。e，在300 mA cm - 2和700 mA cm - 2下进行120 h的计时电流测量。

a-c,Pt1 /(Co，Fe)-OH/ MI。d-f Pd1 /(Co，Fe)-OH/ MI。Ru1 /(Co，Fe)-OH/ MI。TEM图像（a,d,g）。HR-TEM图像（b,e,h）。HAADF-STEM图像（c,f,i）。

本文介绍了一种在温和条件下，在氢氧化铁载体上与MI分子配合制备Ir单原子的简单两步法。所得催化剂Ir1/(Co,Fe)-OH/MI具有原子分散的Ir原子，价态增强，经HAADF-STEM和XANES分析证实。该催化剂表现出优异的OER性能，在10 mA cm−2下的过电位为179 mV，即使在高电流密度下也具有优异的稳定性。与商用IrO2和类似催化剂相比，优异的性能归功于Ir和MI之间的精确配合，优化了电荷分布并调整了d带中心，从而增强了OER中间体的吸附。当用于水分解系统时，Ir1/(Co,Fe)-OH/MI在各种电池配置中表现出低工作电压和稳定的长期性能。此外，该制备方法具有通用性，可扩展到Pt、Pd和Ru等其他贵金属，为研究多种应用的催化机理提供了新的平台。

Out-of-plane coordination of iridium single atoms with organic molecules and cobalt–iron hydroxides to boost oxygen evolution reaction | Nature Nanotechnology

https://doi.org/10.1038/s41565-024-01807-x