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焦耳加热装置助力青岛科技大学王磊/赖建平教授AM:共面 Ir/C 中的 Frank 部分位错促进析氢反应!

发布日期:2023-12-27 阅读量:420

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研究背景

  1. 氢能是未来一种有前途的可持续能源,水电解是生产绿色氢的最具扩展性的技术。电解过程中的析氢反应(HER)与电解液的pH值密切相关,酸性溶液有利于氢气的产生。目前,Pt基催化剂被认为是HER的最佳催化剂,但它们在高电流密度下容易腐蚀,阻碍了其在PEM电解槽中的推广。开发在高电流密度下具有良好活性和稳定性的催化剂对于使用质子交换膜电解槽制氢至关重要。

  2. 铱基纳米材料由于其类似 Pt 的固有活性和耐腐蚀性而成为有前途的酸性 HER 电催化剂。然而,Ir的高价格限制了其在PEM电解槽中的使用。研究人员通过调整贵金属材料的纳米结构,特别是使用具有高比表面积和优异电荷转移效率的超薄纳米材料(<5 nm="">

  3. 正如Co 纳米粒子的研究所示,弗兰克部分位错 (FPD) 的存在可以优化中间体的吸附。此外,具有 3D 开放结构的共面超薄纳米片可提高金属的原子利用率并防止团聚。因此,设计具有FPD和共面结构的Ir基超薄纳米片催化剂对于提高酸性HER的性能至关重要。

  研究内容

  在这项研究中,采用高温热冲击方法和KBr模板辅助技术合成了具有共面结构的超薄纳米片和水稻-FPD(Dr-Ir/C NSs)。纳米片内的 Ir 纳米颗粒产生丰富的 FPD,从而产生稳定的压缩应变。Dr-Ir/C NS 在酸性 HER 中表现出优异的质量活性,并且作为 PEM 阴极具有稳定性。纳米片内丰富的 FPD 减弱了 Ir 对 H* 的吸附,增强了催化剂的本征活性。

 图文解析

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  图1 电镜表征

  通过各种表征研究了 Dr-Ir/C NS 的结构特征。SEM 和 TEM 图像显示了共面 Ir/C 的典型结构和层状特性,大量纳米颗粒均匀地嵌入纳米片中。AFM 和 HRTEM 图像显示出约 3.9 nm 的超薄厚度和 Ir 纳米颗粒的均匀分布。STEM-EDX 证实了 Ir 和 C 的均匀分布,质量分数为 69.4% Ir、28.82% C 和 1.78% O。XPS 分析表明 Dr-Ir/C NSs 中的 Ir 主要呈金属态,也有一些 高价 Ir 可能与 C 结合。共面Dr-Ir/C 纳米片的合成被发现依赖于 KBr 作为模板剂,从而阻止纳米颗粒的生长。

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  图2 XRD及HRTEM表征

  该研究利用粉末 X 射线衍射 (XRD) 来分析共面 Dr-Ir/C NS 的晶体结构。XRD 图案显示面心立方结构,其特征峰代表 Ir 的晶面。Dr-Ir/C NSs 的衍射峰出现正移并表现出压缩应变。 高温热冲击诱导富含位错的 Ir 纳米颗粒,而温和的煅烧方法不会施加应变。没有显着的 C 峰表明 Dp-Ir/C NS 中的碳可能更加无序。总体而言,模板剂确保了纳米片的形成并防止纳米颗粒生长,而高温热冲击由于快速淬火而导致丰富的位错。

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  图3 Dr-Ir/C NS和对比催化剂在 0.5 M H2SO4 中的电催化HER性能

  通过在 N2 饱和的 0.5 M H2SO4 电解质中进行实验,探讨了共面结构和 FPD 对 HER 催化活性的影响。 Dr-Ir/C NSs表现出最好的HER催化性能,具有低过电势和高质量活性,表明共面结构和应变效应促进酸性HER。塔菲尔斜率和交换电流密度也证实了 Dr-Ir/C NS 优异的反应动力学。ECSA结果表明,FPD略微增加了电化学活性面积,而共面结构则显着提高了电化学活性面积和原子利用效率。Dr-Ir/C NSs 表现出最佳的内在活性,具有高 TOF 值,表明 FPD 增强了内在活性。此外,Dr-Ir/C NSs 显示出最小的阻抗,表明催化剂稳定性良好。

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  图4 DFT理论计算

  该研究使用密度泛函理论(DFT)计算来研究应变对Dr-Ir/C纳米片(NSs)析氢反应(HER)活性的影响。结果发现,压缩应变为 4% 的Dr-Ir/C NSs 表现出最好的 HER 活性,这由最小的氢吸附吉布斯自由能表明。进一步分析表明,压缩应变减弱了Ir在H*上的吸附,从而提高了催化剂的本征活性。电子相互作用研究表明,在 4% 压缩应变下,表面 Ir 原子的 d 带中心向下移动,这表明 Ir 在 H* 上的吸附较弱。

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  图5 Dr-Ir/C NSs催化剂在PEM电解槽中的性能

  Dr-Ir/C NSs 催化剂在 PEM 电解槽中表现出优异的性能,对析氢反应 (HER) 具有较高的催化活性和稳定性。实现了接近 100% 的氢气生产法拉第效率,几乎所有电子都参与了 HER 过程。基于 Dr-Ir/C NS 的 PEM 电解槽表现出长期稳定性,在 1.0 A cm−2 的电流密度下连续运行 200 小时,电压降最小,优于 Pt/C || IrO2电解槽。

 全文小结

  本文讨论了使用高温热冲击方法和 KBr 模板辅助技术合成具有共面结构和富 FPD(Dr-Ir/C NS)的超薄纳米片。纳米片在酸性 HER 中表现出优异的催化性能,具有低过电势和高质量活性。纳米片中 FPD 的存在有助于其稳定性和高效催化。实验结果表明,由于 FPD,纳米片表现出显着的压缩应变,从而增强了其内在活性。总体而言,具有共面结构和 FPD 的超薄纳米片具有在各种反应中有效催化的潜力。

  原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202310591


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