電解水在可再生清潔能源技術(shù)中起到了至關(guān)重要的作用,但是其中涉及到的析氧反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程緩慢,限制了電解水的效率。與傳統(tǒng)的堿性電解水技術(shù)相比,質(zhì)子交換膜(酸性)電解水技術(shù)展現(xiàn)出更好的應(yīng)用前景。目前,綜合催化劑活性和穩(wěn)定性兩個(gè)方面考慮,銥基鈣鈦礦氧化物表現(xiàn)出了較好的酸性水氧化性能。但是由于納米尺度表征技術(shù)的限制,對(duì)于銥基鈣鈦礦氧化物在電化學(xué)反應(yīng)過程中真實(shí)的活性層結(jié)構(gòu)及其演化過程一直缺乏全面系統(tǒng)的認(rèn)知,同時(shí)貴金屬銥存在質(zhì)量活性較低和電化學(xué)穩(wěn)定性時(shí)長較短等缺點(diǎn),這些挑戰(zhàn)極大地限制了銥基鈣鈦礦氧化物在質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)中的應(yīng)用。
圖1. 1 nm IrOx顆粒均勻錨定在9R-BaIrO3表面的HADDF-STEM圖(左)及其水氧化示意圖(右)
針對(duì)上述科學(xué)難題,合肥光源用戶美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校金松教授課題組與inhouse科學(xué)家閆文盛課題組合作,通過液相煅燒和強(qiáng)酸預(yù)處理成功合成出1 nm IrOx顆粒組裝的活性層均勻錨定在9R-BaIrO3表面的材料;并運(yùn)用同步輻射吸收譜技術(shù),結(jié)合HADDF-STEM成像和XPS分析,系統(tǒng)地闡明了IrOx/9R-BaIrO3的表面活性層在水氧化過程中的演變情況:IrOx納米顆粒/9R-BaIrO3演變成Ir4+OxHy非晶/IrO6八面體,然后進(jìn)一步演變?yōu)?/span>Ir5+Ox非晶/IrO6八面體。電子結(jié)構(gòu)表征證實(shí),含高價(jià)態(tài)Ir的Ir5+Ox和增強(qiáng)的金屬電導(dǎo)率使得IrOx/9R-BaIrO3表現(xiàn)出比6H-SrIrO3和IrO2更高的催化活性。這項(xiàng)研究不僅揭示了銥基鈣鈦礦表面活性層結(jié)構(gòu)在反應(yīng)過程中的演變機(jī)理,同時(shí)也提出了開發(fā)高效酸性水氧化電催化劑的新方法,為未來發(fā)展高質(zhì)量活性且穩(wěn)定的電催化劑提供科學(xué)依據(jù)。
相關(guān)研究成果以“Identification of the active-layer structures for acidic oxygen evolution from 9R-BaIrO3 electrocatalyst with enhanced iridium mass activity”為題發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》雜志[J AM CHEM SOC 143(43):18001-18009]。
圖2.IrOx/9R-BaIrO3的表面活性結(jié)構(gòu)在電化學(xué)水氧化過程中的演化行為。
(a-d)HADDF-STEM,標(biāo)尺為1 nm,(e)Ir 4f XPS,(f)O K edge