曾杰 张志荣 | 酸性析氧反应中单原子对尖晶石氧化物的位点特异性稳定效应
2026-10-26

(内容来源:eScience)

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1. Ir单原子被选择性锚定在Co3O4的三重中空位和晶格位;

2. 晶格位的Ir单原子比三重中空位的Ir单原子对Co3O4稳定作用更强;

3. 原位谱学和理论计算表明晶格位的Ir单原子增强了Co3O4中的Co-O共价性,从而提升了其稳定性。

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质子交换膜(Proton-Exchange Membrane,PEM)电解水技术是一种极具发展前景的电解水制氢技术,它具有工作电流密度大、电解效率高、无污染等优点,受到广泛关注。迄今为止,只有贵金属Ir和Ru基氧化物能在PEM酸性环境和阳极OER条件下稳定分解水,这极大限制了PEM电解水技术的大规模应用。因此,开发贵重金属含量低、酸性稳定的OER催化剂,对推动PEM技术的发展具有重要意义。Co3O4是一种极具前途的低成本、较高活性的非贵金属OER催化剂。然而,Co3O4在酸性OER条件下很容易因氧化而溶解,这严重限制了其实际应用。将耐酸性单原子引入Co3O4,是一种提升其酸性OER稳定性的有效策略。

作者通过将耐酸性Ir单原子分别锚定到Co3O4的三重中空位(Ir1/T-Co3O4)和晶格位(Ir1/L-Co3O4),研究了单原子在酸性OER中对Co3O4的位点特异性稳定效应。电化学性能评估和原位谱学表明,锚定在晶格位的Ir单原子比三重中空位的Ir单原子对Co3O4的稳定作用更强。电化学性能评价表明,Ir1/L-Co3O4在10 mA cm-2的电流密度下稳定运行了200 h;此外,在PEMWE器件中,Ir1/L-Co3O4在1 A cm-2的电流密度下稳定运行了60 h。机理研究表明,晶格位的Ir单原子显著增强了Co3O4中的Co-O共价性,从而抑制了Co和O原子在OER过程中的迁移,进而提升了其稳定性。本研究首次揭示了单原子对尖晶石氧化物在酸性OER中的位点特异性稳定效应,为高稳定性非贵金属酸性OER催化剂的理性设计提供了新思路。

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