【材料】ACS AMI | 核壳结构调节铱d带中心实现高效酸性电解水
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以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
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英文原题： Modulation in the d Band of Ir by Core–Shell Construction for Robust Water Splitting Electrocatalysts in Acid
通讯作者： 杨泽惠，中国地质大学（武汉）材料与化学学院可持续能源实验室
作者： Yuhua Xie (谢玉华), Chaofeng Chang (常超凤)，Fang Luo（罗芳）
背景介绍
基于可再生能源电力的质子交换膜（PEM）电解水制氢技术是现阶段大规模制取绿氢的有效方法。制备PEM膜电极所用的阴阳极催化剂成本高、稳定性差是制约其发展的主要因素之一。目前主要的阳极商业催化剂为IrO 2 或铱碳催化剂，但铱储量少且价格昂贵，因此当务之急是寻求能够同时降低催化剂成本和提高催化剂性能的有效方法，具有核@壳结构的M@Ir催化剂利用核与壳之间的电子效应和应变效应的协同调节，不仅可以降低贵金属Ir的用量，而且能显著提高催化活性。
图1. 不同催化剂的TEM图：Pd/CNT (a)，Ir/CNT(b)，Pd 0.5 @Ir 0.5 //CNT (c)，HR-TEM (d)，AC-TEM (e)，HAADF-STEM(f)；Pd 0.5 @Ir 0.5 /CNT的元素分布线扫和面扫图(g)；Pd 0.5 @Ir 0.5 //CNT作两极催化剂和商业催化剂在酸性电解水中的性能（h）和稳定性（i）
文章亮点
近日， 中国地质大学（武汉）杨泽惠副研究员 在 ACS Applied Materials & Interfaces 上报道了一锅法在碳纳米管（CNT）上锚定超小（~5 nm）核壳纳米颗粒（Pd@Ir/CNT）促进酸性环境水电解的研究。结构中壳层厚度可控，Ir活性位点被最大限度地暴露出来，内核原子的不同物理化学性质引起外层壳原子在异质界面电子结构和 d 带中心的合理调节，导致与反应中间体结合强度发生改变；内部和外部原子之间的强电子杂化有助于增强结构的稳定性。因此，核壳结构的电催化剂是一个很有前景的PEM水电解催化剂。
图2. Pd@Ir和Ir/Pd（111）的化学结构（a）；Pd@Ir结构的电荷密度（b），DOS（c）和d带中心（d）；OER 自由能（e） 和Pd@Ir、Ir（111）和Pd（111）的吉布斯自由能（f）
电子密度计算结果显示在异质面观察到强电子相互作用，与XPS结果类似的是Ir原子将电子供给Pd原子，Pd@Ir中的Ir原子处于氧化态，DOS计算同样表明，与Ir（111）和Pd（111）相比Pd@Ir核壳结构具有不同的 d 带中心，相对于Ir(111)，Pd@Ir中Ir的 d 带中心上移，表明在HER和OER催化过程中对反应中间体具有很强的吸附能力；同样地，Pd@Ir中的Pd原子的 d 带中心与Pd（111）相比下移了0.17eV。OER反应中间体的自由能显示，其中由H 2 O的亲核攻击形成的OOH*被认为是酸性OER催化的决速步骤，将Pd引入Ir后，Pd@Ir结构具有更好的OER催化性能。
总结/展望
研究团队锚定在CNTs上的超小Pd@Ir核壳纳米粒子（Pd@Ir/CNT）具有持续高效酸性水电解能力，具备应用在PEM水电解制氢的巨大潜力。实验和理论计算对核壳结构的高活性和稳定性做出一致解释，Pd和Ir原子在异质界面上具有很强的电子相互作用，诱导Ir的 d 带中心上移，电子杂化抑制了Ir的电化学溶解，表现出优异的稳定性。本工作报道的这种简单有效的铱基核壳（M@Ir）电催化剂制备方法，为高性能PEM阳极催化剂的进一步发展奠定了基础。
相关论文发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上，中国地质大学（武汉）博士研究生 谢玉华 为文章的第一作者， 杨泽惠副研究员 为通讯作者。
通讯作者信息
杨泽惠 博士生导师
杨泽惠：博士，副研究员，博士生导师。2015年获日本九州大学应用化学博士学位，2016年入职中国地质大学（武汉），主要研究方向是：电解水、燃料电池催化剂、锌空气电池、电氧化/合成等，以一作/通讯作者发表论文100余篇，其中包括 Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett.,Energy Storage Mater., Appl. Catal. B 等国际著名期刊，H指数32，有多篇论文入选ESI高被引和封面论文。
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ACS Applied Materials & Interfaces . 2023, ASAP
Publication Date: March 29, 2023
https://doi.org/10.1021/acsami.3c00453
Copyright © 2023 American Chemical Society
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