近日，南方科技大學材料科學與工程系(簡稱「材料系」)副教授谷猛課題組與俄勒岡州立大學學者馮振興課題組合作在納米材料領域中取得了新進展，製備出了具有超高活性的Ir-CoOx NSs，相關成果發表在催化專業期刊ACS Catalysis。
石化能源的廣泛使用，使得大氣中二氧化碳濃度直線上升並且帶來大量汙染。清潔能源的開發與利用，能夠有效降低溫室氣體的排放、促進「碳中和」目標的實現。氫氣具備高能量密度、使用過程零排放的特點。目前在多種高效制氫方法諸如光解水、生物制氫、電解水制氫以及熱解制氫等中，電解水制氫具備著產物單一、製備過程無汙染以及環境限制因素少等優點。因此，其或可成為最具潛力的工業制氫方法。然而，電解水制氫陽極氧析出反應 (OER)所需電勢過高，而且商業催化劑成本過高，極大限制了制氫效率，提高了制氫成本。該論文提出了一種新型單原子催化劑策略，在超薄非晶氧化鈷納米片(CoOx NSs)表面沉積銥(Ir)單原子，使得其OER效率相對於商業催化劑有了兩個量級的提升;同時利用原位同步輻射技術觀測到了催化劑在反應過程中的實時變化，揭示了多元催化劑在陽極氧化過程中協同作用的模式。該研究對基礎科學與工程應用有極大的促進作用，顯示出一定的現實意義。
圖1. 催化劑的結構表徵。(a-c)CoOx NSs基底。其中內嵌圖標示了選區衍射的擴散帶。(d-f)Ir-CoOx NSs的結構表徵。紅圈標示出了Ir單原子。Ir/Co比例約為7:93，Ir原子載量約為20%的質量分數。
該催化劑的在OER過程中的過電勢僅為150 mV，其電流密度達到了商業化催化劑二氧化銥的160倍。單原子Ir的沉積，能夠有效增加催化劑的電化學面積，進而大幅度提升OER的性能。此外，Ir單原子的沉積，大幅度地改進了催化劑的傳質效率。這些特徵，保證了催化劑具有一個非常高的能量利用效率，進而有效提高電解水整個系統的電利用效率。此外，穩定性測試結果表明，該催化劑在OER過程中結構相對穩定，同時對大工作電流的耐受性較為突出。原位同步輻射研究結果表明——該催化劑具有過電勢小於30mV的啟動電位，解釋了催化劑的高本徵活性來源。再者，原位形成的Ir-O-Co是真實的活性位點，該配位體系中O更傾向於接近Ir原子。在催化過程中，近Ir的Ox-被優先氧化為氧氣，並實現有序高效的OER過程。
圖2. 電化學測試結果。OER極化曲線(a)，(b-c)OER性能比較，雙電層電容測試(e)和傳質效率分析(f)。
論文第一作者、南科大材料系博士生蔡超表示，不同於當前研究熱度非常高的過渡金屬基OER催化劑，Ir單原子在該催化劑體系中區分度高，因此利用原位技術更容易獲取可靠的表徵結果。這對於深入研究OER催化劑在反應過程中的工作機制有很大的幫助，包括分析催化劑的結構演變和真實活性確認等方面。同時，對於獲取更加高效、成本更低、高壓或者高電流耐受性更為突出的催化劑，會有一定的啟發作用。課題組會在電解水方向再進一步進行研究，為實現「碳中和」的目標添磚加瓦。
南科大材料系博士生王茂宇和訪問學生韓韶波為論文共同第一作者。電子科技大學祖小濤，阿貢州立大學馮振興和谷猛為該論文共同通訊作者。其他作者包括南科大王琦、張晴、祝遠民、楊旭明、吳多傑和美國阿貢國家實驗室George E. Sterbinsky。該研究得到了國家自然科學基金、廣東省電驅動力重點實驗室、廣創計劃、深圳孔雀計劃、深圳工程研究中心、深圳清潔能源中心等單位的大力支持。
文章連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c04656