MH：多孔网状硼掺杂IrO2纳米针增强酸性析氧反应质量活性

虽然质子交换膜水电解槽（PEMWE）对于实现实际制氢至关重要，但最先进的基于铱（Ir）的析氧反应（OER）电催化剂在PEMWE的活性、稳定性和成本之间的权衡仍然是一个令人望而却步的挑战。将Ir最小化与提高Ir基催化剂的质量活性相结合是解决这些挑战的一个很有前途的策略。在这里，我们提出了一项发现，证明硼掺杂促进了IrO2晶体的一维（1D）各向异性生长，这得到了实验和理论证据的支持。合成的超长硼掺杂氧化铱（B-IrO2）纳米针的多孔网络具有更好的电子导电性和降低的电荷转移电阻，从而增加了活性位点的数量。结果表明，B-IrO2的OER质量活性为3656.3 A·gIr−1，Ir负载为0.08 mgIr /cm^2，分别是未掺杂IrO2纳米针网络（L-IrO2）和Adams IrO2纳米粒子（a -IrO2）的4.02和6.18倍。密度泛函理论（DFT）计算表明，B掺杂适度提高了d带中心能级，显著降低了*O转化为*OOH的自由能垒，从而提高了本征活性。另一方面，B-IrO2的稳定性可以同步提高，这主要归因于b诱导的Ir键的增强，这有助于抵抗电化学溶解。更重要的是，当B-IrO2催化剂应用于PEM水电解（PEMWE）的膜电极组件时，它们产生高达2.8 a·cm-2的电流密度，并在1.0 A·cm-2的电流密度下保持至少160小时的运行。这项工作为促进内在活性和稳定性提供了新的见解，同时最大限度地减少了贵金属基OER电催化剂在临界能量转换和存储中的使用。

基于改进Adams熔合法合成B-IrO2的示意图：成型剂与硼源依次混合、干燥、煅烧得到B-IrO2。

(a) B-IrO2的TEM图像和SAED模式。(b)不同IrO2基样品，包括B-IrO2、L-IrO2和A-IrO2的PXRD图谱。(c) B-IrO2的HRTEM图像。(d)基于DFT计算的掺杂两个和四个硼原子的IrO2和B-IrO2的结构。红色、蓝色和粉色球体分别代表氧、铱和硼原子。（e,f） B-IrO2、L-IrO2和A-IrO2的XPS光谱(e)和BET测试结果(f)。

（a,b）Ir 4f (a)和O 1s (b)A-IrO2、L-IrO2和B-IrO2的XPS光谱。

(a)扫描速率为5 mV·s−1时，A-IrO2、L-IrO2和B-IrO2在0.5 M H2SO4中的极化曲线。(b)由(a)的极化曲线得出的Tafel图。(c)基于1.55 V vs RHE电位下A-IrO2、L-IrO2和B-IrO2的BET和ECSA面积的质量活性和比活性比较。(d)测量活性Ir位点的CV曲线。(e)在1.5 V vs RHE下记录的样品的Nyquist图。(f)不同电位下记录样品的相峰角度。(g)计算得到的IrO2和B-IrO2的Ir 4f态和O 2p态。(h) B-IrO2和IrO2上OER的Gibbs自由能图，以及B-IrO2上OER优化结构构型的关键部分。红色、蓝色、粉色和灰色的球体分别代表氧原子、铱原子、硼原子和氢原子。

(a) A-IrO2、L-IrO2和B-IrO2在10 mA·cm−2下的计时电位测量，碳纸作为催化剂载体。(b)照片显示PEMWE结构。(c)极化j-V曲线（测量条件：室温，阳极0.08 mgPt/cm2在Ti毡上，阴极1.0 mgPt/cm2在40% Pt/c的碳纸上，Nafion 117膜，4 cm2电极）。(d)负载B-IrO2催化剂的PEMWE单体电池在1.0 A⋅cm-2下静电流操作160 h的静态耐久性试验。

我们展示了一种简单且可扩展的方法来制造B-IrO2纳米针的多孔网络。低B-IrO2负载0.08 mg/cm2，在酸性介质中保持强劲的催化性能。半胱胺·HCl作为整形剂诱导纳米针结构，硼酸在改良的Adams融合过程中促进IrO2纳米针的单向生长。B-IrO2催化剂独特的几何结构不仅提高了电子导电性，而且提高了活性Ir氧化物和羟基的浓度，从而提高了内在活性。结果表明，当Ir负载为0.08 mg/cm2时，B-IrO2的质量活性为3656.3 A g·Ir−1。这种增强的催化性能也归因于硼掺杂引起的d带中心能级的适度增加，这协调了氧中间体的吸附，同时加速了OER过程中的解吸。当用作阳极催化剂时，B-IrO2显示出高达2.8 A·cm-2的电流密度，并在PEMWE中以1.0 A·cm-2的电流密度保持至少160 h的工作。我们的研究结果提供了一个实用的路线图，通过采用形态调整和硼掺杂的组合策略来最大限度地减少铱的使用，同时在扩大PEMWE应用中提供令人印象深刻的电催化性能。

Porous network of boron-doped IrO2 nanoneedles with enhanced mass activity for acidic oxygen evolution reactions - Materials Horizons (RSC Publishing)

• DOI
• https://doi.org/10.1039/D4MH01358A
• DOI
• https://doi.org/10.1039/D4MH01358A

本文仅技术交流，无盈利目的，侵权请联系删除！