研究背景

到目前為止，陽極催化劑主要基于稀缺的銥（Ir）催化劑。尋找資源豐富的替代品，或開發(fā)低Ir負載的催化劑，都可能是可行的策略?？紤]到全球Ir資源及其對OER的催化性能，非常需要將Ir負載減少40倍（從目前的~2 mg Ir cm^-2減少到0.05 mg Ir cm^-2），并加強本征活性，以促進PEM-WE的廣泛實施。已經采取了許多方法來減少Ir消耗并提高Ir基催化劑的活性，例如將Ir分散到便宜的骨架中，通過納米結構操縱表面積，以及通過浸出工程重建IrO_x表面。然而，為了保持合理的活性和電導率，仍然需要>20 wt%的負載。

此外，在高陽極電位條件下尋找具有良好電子導電性的酸穩(wěn)定載體比較困難，這限制了Ir基催化劑性能的進一步提高。受半導體電子隧穿現象的啟發(fā)，亞納米尺度的耐腐蝕金屬氧化物（Ta₂O₅、Sb₂O₅和HfO₂）可能在催化中導電性能足夠，盡管它們的體相有寬的帶隙。更重要的是，明確評估本征OER活性至關重要。OER是一個相當復雜的過程，總是伴隨著其他副作用，例如碳的氧化、催化劑/載體氧化、材料溶解和電容電流效應，這可能會導致高估催化劑的實際OER活性。因此，OER應始終通過測量實際氧氣產量來量化。

丹麥科技大學兩位催化大佬，Ib Chorkendorff和Jens K. N?rskov攜手在Nature Energy上發(fā)表文章，Monitoring oxygen production on mass-selected iridium–tantalum oxide electrocatalysts，合成并利用質量篩選器篩選出特定質量的Ir-Ta氧化物催化劑，然后實時監(jiān)測在該催化劑上的產氧量。

在這里，作者使用穩(wěn)定的Ta₂O₅納米簇作為載體，為OER開發(fā)了氧化銥鉭（Ir-Ta-O）催化劑。用超高真空簇源技術精確合成了尺寸從簇到顆粒不等的質量選擇的Ir-Ta-O催化劑?；谥肮ぷ鏖_發(fā)的硅微芯片電化學/質譜（EC-MS）儀器，與同位素標記相結合，準確評估了特定質量的催化劑的實際OER活性，研究了動態(tài)操作條件下的產氧速率，以解釋副反應的發(fā)生，并量化了表面活性位點的數量。該儀器具有秒的時間分辨率和100%的收集效率。

作者發(fā)現，質量選擇的尺寸小于2 nm的Ir_0.1Ta_0.9O_2.45納米粒子在0.1 M HClO₄中表現出增強的OER活性，在1.6 V vs RHE下具有顯著的穩(wěn)定性（24小時）。當過電位為320 mV時，小尺寸粒子（<2 nm）的催化劑質量活性為1.2 ±0.5 kA_O2 g_Ir^?1，轉換頻率(TOF)為2.3±0.9 s^?1，分別比質量選擇的IrO₂高出兩倍和四倍。密度泛函理論（DFT）的計算進一步揭示了導致這種活性和穩(wěn)定性提高的關鍵因素，特殊的銥配位和較低的水分解自由能可能是性能增強的原因。

該研究結果可以應用于其它具有良好結構控制的寬帶隙耐腐蝕金屬氧化物，從而加速開發(fā)新型低成本、穩(wěn)定、高效的酸性OER催化劑。

圖1. 質量選擇的Ir-Ta NPs的制備與表征

圖2. 監(jiān)測質量篩選后的Au為載體的Ir_0.1Ta_0.9O_2.45納米粒子的析氧過程

圖3. 各種催化劑OER性能的比較

圖4. 質量篩選后的Ir_0.1Ta_0.9O_2.45納米粒子的穩(wěn)定性

圖5. 同位素標記結合EC-MS測定Ir_0.1Ta_0.9O_2.45的表面活性位點和TOF值

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00948-w