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楊英威/熊英JACS:IrMo-CBC實現(xiàn)高效的堿性HER

楊英威/熊英JACS:IrMo-CBC實現(xiàn)高效的堿性HER
基于貴金屬的電催化劑被證明是高效的高純度制氫催化劑,但是高水解離能導致堿性介質(zhì)中析氫反應(HER)動力學緩慢,很大程度上阻礙了該電化學過程。
基于此,吉林大學楊英威教授和遼寧大學熊英教授等人報道了使用無模板方法從葫蘆[6]中制備了一種有效的多孔碳基質(zhì)負載銥鉬(IrMo)納米簇電催化劑(IrMo-CBC)。
IrMo-CBC表現(xiàn)出明顯的堿性HER活性,在電流密度為10 mA cm-2下具有12 mV的極低過電位,超小的Tafel斜率(28.06 mV dec-1),優(yōu)異的法拉第效率(FE=98%),在過電位為50 mV時的周轉頻率(TOF)為11.6 H2 s-1,優(yōu)于大多數(shù)Ir-基電催化劑和商用Pt/C。
楊英威/熊英JACS:IrMo-CBC實現(xiàn)高效的堿性HER
通過DFT計算,作者確定了IrMo-CBC催化劑堿性HER性能增強的機理。在典型的堿性HER過程中,吸附的H主要來源于解離的H2O分子,一般認為整個反應的速率決定步驟是H2O分子轉化為H2O*和吸附的H2O*解離為解離產(chǎn)物(OH*和H*)。H2O在Ir(111)單原子位點上的吸附和解離是吸熱過程,相對吸附自由能分別為0.31和0.63 eV,對HER動力學不利,極大地限制了其活性。
楊英威/熊英JACS:IrMo-CBC實現(xiàn)高效的堿性HER
此外,H2O分子的穩(wěn)定吸附狀態(tài)有效地減少了隨后的解離過程,相應的自由能值為-0.42 eV。對比Ir(111),Ir(111)-Mo的d-帶中心明顯向上移動到更高的能量,更接近費米能級,從而加強了H2O在Ir(111)-Mo上的吸附。
同時,雜原子N的摻雜不僅可以增強IrMo納米簇的電荷密度,而且還可以平衡氫的吸附和解吸行為,促進電化學反應的進行。因此,IrMo-CBC-4.2優(yōu)異的HER性能主要源于Mo、Ir和N原子之間的協(xié)同作用,有效地調(diào)節(jié)H2O吸附和解離過程的強度,并進一步促進Volmer步驟,從而大大提高其內(nèi)在催化活性。
楊英威/熊英JACS:IrMo-CBC實現(xiàn)高效的堿性HER
IrMo Nanocluster-Doped Porous Carbon Electrocatalysts Derived from Cucurbit[6]uril Boost Efficient Alkaline Hydrogen Evolution. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c03489.

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