吉大/辽大JACS:IrMo-CBC实现高效的碱性HER

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基于贵金属的电催化剂被证明是高效的高纯度制氢催化剂,但是高水解离能导致碱性介质中析氢反应(HER)动力学缓慢,很大程度上阻碍了该电化学过程。


基于此,吉林大学杨英威教授和辽宁大学熊英教授等人报道了使用无模板方法从葫芦[6]中制备了一种有效的多孔碳基质负载铱钼(IrMo)纳米簇电催化剂(IrMo-CBC)。IrMo-CBC表现出明显的碱性HER活性,在电流密度为10 mA cm-2下具有12 mV的极低过电位,超小的Tafel斜率(28.06 mV dec-1),优异的法拉第效率(FE=98%),在过电位为50 mV时的周转频率(TOF)为11.6 H2 s-1,优于大多数Ir-基电催化剂和商用Pt/C。
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通过DFT计算,作者确定了IrMo-CBC催化剂碱性HER性能增强的机理。在典型的碱性HER过程中,吸附的H主要来源于解离的H2O分子,一般认为整个反应的速率决定步骤是H2O分子转化为H2O*和吸附的H2O*解离为解离产物(OH*和H*)。
H2O在Ir(111)单原子位点上的吸附和解离是吸热过程,相对吸附自由能分别为0.31和0.63 eV,对HER动力学不利,极大地限制了其活性。
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此外,H2O分子的稳定吸附状态有效地减少了随后的解离过程,相应的自由能值为-0.42 eV。对比Ir(111),Ir(111)-Mo的d-带中心明显向上移动到更高的能量,更接近费米能级,从而加强了H2O在Ir(111)-Mo上的吸附。
同时,杂原子N的掺杂不仅可以增强IrMo纳米簇的电荷密度,而且还可以平衡氢的吸附和解吸行为,促进电化学反应的进行。
因此,IrMo-CBC-4.2优异的HER性能主要源于Mo、Ir和N原子之间的协同作用,有效地调节H2O吸附和解离过程的强度,并进一步促进Volmer步骤,从而大大提高其内在催化活性。
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IrMo Nanocluster-Doped Porous Carbon Electrocatalysts Derived from Cucurbit[6]uril Boost Efficient Alkaline Hydrogen Evolution. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c03489.




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