研究背景

　　1. 氫能是未來(lái)一種有前途的可持續(xù)能源，水電解是生產(chǎn)綠色氫的最具擴(kuò)展性的技術(shù)。電解過(guò)程中的析氫反應(yīng)（HER）與電解液的pH值密切相關(guān)，酸性溶液有利于氫氣的產(chǎn)生。目前，Pt基催化劑被認(rèn)為是HER的最佳催化劑，但它們?cè)诟唠娏髅芏认氯菀赘g，阻礙了其在PEM電解槽中的推廣。開發(fā)在高電流密度下具有良好活性和穩(wěn)定性的催化劑對(duì)于使用質(zhì)子交換膜電解槽制氫至關(guān)重要。

　　2. 銥基納米材料由于其類似 Pt 的固有活性和耐腐蝕性而成為有前途的酸性 HER 電催化劑。然而，Ir的高價(jià)格限制了其在PEM電解槽中的使用。研究人員通過(guò)調(diào)整貴金屬材料的納米結(jié)構(gòu)，特別是使用具有高比表面積和優(yōu)異電荷轉(zhuǎn)移效率的超薄納米材料（<5 nm="">

　　3. 正如Co 納米粒子的研究所示，弗蘭克部分位錯(cuò) (FPD) 的存在可以優(yōu)化中間體的吸附。此外，具有 3D 開放結(jié)構(gòu)的共面超薄納米片可提高金屬的原子利用率并防止團(tuán)聚。因此，設(shè)計(jì)具有FPD和共面結(jié)構(gòu)的Ir基超薄納米片催化劑對(duì)于提高酸性HER的性能至關(guān)重要。

　　研究?jī)?nèi)容

　　在這項(xiàng)研究中，采用高溫?zé)釠_擊方法和KBr模板輔助技術(shù)合成了具有共面結(jié)構(gòu)的超薄納米片和水稻-FPD（Dr-Ir/C NSs）。納米片內(nèi)的 Ir 納米顆粒產(chǎn)生豐富的 FPD，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的壓縮應(yīng)變。Dr-Ir/C NS 在酸性 HER 中表現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)量活性，并且作為 PEM 陰極具有穩(wěn)定性。納米片內(nèi)豐富的 FPD 減弱了 Ir 對(duì) H* 的吸附，增強(qiáng)了催化劑的本征活性。

 圖文解析

　　圖1 電鏡表征

　　通過(guò)各種表征研究了 Dr-Ir/C NS 的結(jié)構(gòu)特征。SEM 和 TEM 圖像顯示了共面 Ir/C 的典型結(jié)構(gòu)和層狀特性，大量納米顆粒均勻地嵌入納米片中。AFM 和 HRTEM 圖像顯示出約 3.9 nm 的超薄厚度和 Ir 納米顆粒的均勻分布。STEM-EDX 證實(shí)了 Ir 和 C 的均勻分布，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 69.4% Ir、28.82% C 和 1.78% O。XPS 分析表明 Dr-Ir/C NSs 中的 Ir 主要呈金屬態(tài)，也有一些 高價(jià) Ir 可能與 C 結(jié)合。共面Dr-Ir/C 納米片的合成被發(fā)現(xiàn)依賴于 KBr 作為模板劑，從而阻止納米顆粒的生長(zhǎng)。

　　圖2 XRD及HRTEM表征

　　該研究利用粉末 X 射線衍射 (XRD) 來(lái)分析共面 Dr-Ir/C NS 的晶體結(jié)構(gòu)。XRD 圖案顯示面心立方結(jié)構(gòu)，其特征峰代表 Ir 的晶面。Dr-Ir/C NSs 的衍射峰出現(xiàn)正移并表現(xiàn)出壓縮應(yīng)變。 高溫?zé)釠_擊誘導(dǎo)富含位錯(cuò)的 Ir 納米顆粒，而溫和的煅燒方法不會(huì)施加應(yīng)變。沒(méi)有顯著的 C 峰表明 Dp-Ir/C NS 中的碳可能更加無(wú)序。總體而言，模板劑確保了納米片的形成并防止納米顆粒生長(zhǎng)，而高溫?zé)釠_擊由于快速淬火而導(dǎo)致豐富的位錯(cuò)。

　　圖3 Dr-Ir/C NS和對(duì)比催化劑在 0.5 M H2SO4 中的電催化HER性能

　　通過(guò)在 N2 飽和的 0.5 M H2SO4 電解質(zhì)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討了共面結(jié)構(gòu)和 FPD 對(duì) HER 催化活性的影響。 Dr-Ir/C NSs表現(xiàn)出最好的HER催化性能，具有低過(guò)電勢(shì)和高質(zhì)量活性，表明共面結(jié)構(gòu)和應(yīng)變效應(yīng)促進(jìn)酸性HER。塔菲爾斜率和交換電流密度也證實(shí)了 Dr-Ir/C NS 優(yōu)異的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。ECSA結(jié)果表明，F(xiàn)PD略微增加了電化學(xué)活性面積，而共面結(jié)構(gòu)則顯著提高了電化學(xué)活性面積和原子利用效率。Dr-Ir/C NSs 表現(xiàn)出最佳的內(nèi)在活性，具有高 TOF 值，表明 FPD 增強(qiáng)了內(nèi)在活性。此外，Dr-Ir/C NSs 顯示出最小的阻抗，表明催化劑穩(wěn)定性良好。

　　圖4 DFT理論計(jì)算

　　該研究使用密度泛函理論（DFT）計(jì)算來(lái)研究應(yīng)變對(duì)Dr-Ir/C納米片（NSs）析氫反應(yīng)（HER）活性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓縮應(yīng)變?yōu)?4% 的Dr-Ir/C NSs 表現(xiàn)出最好的 HER 活性，這由最小的氫吸附吉布斯自由能表明。進(jìn)一步分析表明，壓縮應(yīng)變減弱了Ir在H*上的吸附，從而提高了催化劑的本征活性。電子相互作用研究表明，在 4% 壓縮應(yīng)變下，表面 Ir 原子的 d 帶中心向下移動(dòng)，這表明 Ir 在 H* 上的吸附較弱。

　　圖5 Dr-Ir/C NSs催化劑在PEM電解槽中的性能

　　Dr-Ir/C NSs 催化劑在 PEM 電解槽中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，對(duì)析氫反應(yīng) (HER) 具有較高的催化活性和穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)了接近 100% 的氫氣生產(chǎn)法拉第效率，幾乎所有電子都參與了 HER 過(guò)程。基于 Dr-Ir/C NS 的 PEM 電解槽表現(xiàn)出長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在 1.0 A cm?2 的電流密度下連續(xù)運(yùn)行 200 小時(shí)，電壓降最小，優(yōu)于 Pt/C || IrO2電解槽。

 全文小結(jié)

　　本文討論了使用高溫?zé)釠_擊方法和 KBr 模板輔助技術(shù)合成具有共面結(jié)構(gòu)和富 FPD（Dr-Ir/C NS）的超薄納米片。納米片在酸性 HER 中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，具有低過(guò)電勢(shì)和高質(zhì)量活性。納米片中 FPD 的存在有助于其穩(wěn)定性和高效催化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于 FPD，納米片表現(xiàn)出顯著的壓縮應(yīng)變，從而增強(qiáng)了其內(nèi)在活性。總體而言，具有共面結(jié)構(gòu)和 FPD 的超薄納米片具有在各種反應(yīng)中有效催化的潛力。

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202310591