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[转载]青岛大学孙建坤团队:Ir纳米团簇分散于ZIF-8衍生的氮掺杂碳框架用于高效析氢反应

已有 632 次阅读 2024-4-9 11:36 |个人分类:期刊|系统分类:科普集锦|文章来源:转载

一、    研究背景

质子交换膜电解槽电解水制氢因其低工作电压、高能效和快速响应等优点而备受关注。然而,酸性电催化体系所面临的主要挑战之一是催化剂的稳定性。大多数催化剂在酸性电解质中会严重降解,导致催化活性下降和催化剂寿命缩短。

金属有机框架具有较高的比表面积、丰富的孔结构、稳定的理化性能和良好的导电性等优点,因此是催化活性物质载体的理想材料。金属纳米团簇具有高比表面积和低表面金属-金属配位数的特性,能有效提高催化剂的比表面积和原子利用效率。将金属团簇与金属有机框架相结合可以激发金属-载体之间的相互作用,调节活性位点的电子结构,并减缓金属纳米团簇在酸性介质中的溶解。这一策略是优化催化剂电子结构并提升在酸性电解质中稳定性的有效途径。

二、    工作简介

ZIF-8退火处理的氮掺杂碳骨架(NC)作为碳源,通过浸渍还原法成功地将Ir纳米团簇均匀负载在NC上,形成了Ir@NC催化剂。NC具有三维多孔结构,有利于暴露更多的活性金属位点,而Ir纳米团簇与NC之间的协同效应有效地调节了Ir的电子结构,从而优化了析氢反应过程。与商业化的Pt/C相比,Ir@NC催化剂在酸性条件下表现出更高的催化活性,仅需23 mV的过电位就能够实现10 mA cm-2的电流密度。同时,Ir@NC还表现出较低的塔菲尔斜率(25.8 mV dec-1)和良好的稳定性。

三、    核心图文解析

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               图1 Ir@NC电催化剂的合成示意图

通过一个简单的三步法制备了Ir@NC催化剂。首先对ZIF-8进行热解制备多孔NC框架,之后将NC样品浸入Ir3+溶液中,随后在H2/Ar下还原,通过对其物相进行一系列表征,结果显示成功在NC上均匀地负载Ir纳米团簇。Ir@NC保持了与ZIF-8类似的立方体形貌,边长约为60 nmIr@NCTEM照片显示,超小的Ir团簇均匀地分布在立方体NC骨架上。得益于NC载体上丰富的N原子,为Ir团簇的形成提供了成核位点。

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2aIr@NCHRTEM图像,(bHAADF-STEM和(cIr@NC对应的EDS元素映射图像。

XPS测试表明部分吡啶N转化为金属-N键是由于其与Ir形成了Ir-N键,吡啶N的给电子性使其能够作为金属配位位点来固定Ir原子。此外Ir@NC中金属-N键的峰值向更高的结合能偏移,以及Ir 4f7/2Ir 4f5/2峰向低结合能方向偏移,表明吡啶NIr原子之间存在显著的电子相互作用。Ir纳米团簇与NC载体之间的协同效应可以有效调节Ir的电子结构,优化电催化HER过程。

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3aIr@NCNCN 1s高分辨光谱,(bIr@NCIr@CIr 4f高分辨光谱。

0.5 mol L1 H2SO4中评价了不同样品的电化学性能。Ir@NC表现出了显著的HER催化活性,其拥有23 mV的超低过电位,即可达到10 mA cm-2的电流密度,优于商业Pt/C η10=28 mV),表明IrN之间的电子相互作用在促进HER活性方面的关键作用。电化学阻抗谱法显示其拥有最低的电荷转移阻抗,且计时电位法显示Ir@NC在酸性环境中具有良好的电化学稳定性。以上证明了通过金属-载体相互作用对Ir的电子结构进行修饰,可以加速电荷和电子转移过程,从而显著提高了HER性能。

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4 不同电催化剂在0.5 mol L−1 H2SO4中的HER催化性能,(aHERLSV极化曲线,(b)能奎斯特曲线,(c10 mA cm−2电流密度下Ir@NCIr@CPt/C的计时电位曲线,未经IR校正。

四、结论

ZIF-8衍生的多孔氮掺杂碳上均匀负载了超小Ir纳米团簇,在酸性电解质中表现出优秀的HER电催化活性。Ir@NC过电位仅需23 mV即可实现10 mA cm2电流密度,且具有显著的电化学稳定性。在NC载体表面存在的吡啶N有效固定了Ir纳米团簇,同时NC载体与Ir团簇之间形成的强电子相互作用增强了整体催化性能。这项研究证明了在设计高性能电催化剂时,精确调节活性位点的电子结构所起的关键作用。

New Carbon Materials 文章信息:

Xi-ao Wang, Yan-shang Gong, Zhi-kun Liu, Pei-shan Wu, Li-xue Zhang, Jian-kun Sun. Ir nanoclusters on ZIF-8-derived nitrogen-doped carbon frameworks to give a highly efficient hydrogen evolution reaction. New Carbon Mater., 2024, 39(1): 164-172. doi: 10.1016/S1872-5805(24)60832-2

王希澳,公衍尚,刘之坤,巫培山,张立学,孙建坤. Ir纳米团簇负载于ZIF-8衍生的氮掺杂炭框架用于高效析氢反应. 新型炭材料(中英文), 2024, 39(1): 164-172. doi: 10.1016/S1872-5805(24)60832-2

原文链接:

http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(24)60832-2

期刊官网:

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国际版主页:

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