阳极析氧反应(OER)动力学缓慢和相应的Ir基催化剂催化性能不足仍然是质子交换膜水电解槽(PEMWE)面临的巨大挑战。在此,我们报道了具有更多暴露活性位点和丰富羟基的KIr4O8纳米线的电流密度,并且在PEMWE中具有1230 h的优异催化稳定性。结合原位拉曼光谱和差分电化学质谱分析结果,提出了KIr4O8纳米线固有结构中富含羟基直接参与有利于OER的催化过程的修饰吸附物演化机制。密度泛函理论计算结果进一步表明,KIr4O8中Ir (d)和O (p)带中心的接近性增强,增强了Ir-O的共价,促进了吸附剂和活性位点之间的电子转移,降低了OER过程中从OH*到O*的速率决定步骤的能垒。
(a) PEMWE中阳极析氧和阴极析氢的示意图。(b)含KIr4O8阳极催化剂层的催化剂包覆膜的截面SEM元素图。(c) 80℃时,KIr4O8和IrO2在PEMWE中的极化曲线时的计时电位曲线阳极催化剂与其他代表性Ir基催化剂的电池电压和稳定性比较。右边的插图显示了MEA的图像。
综上所述,我们合成了具有更多暴露活性位点和丰富固有羟基的KIr4O8纳米线催化剂。在OER过程中,KIr4O8催化剂的固有羟基直接参与了反应步骤,促进OH*中间体去质子化生成O*。Δd-p接近度增强了Ir-O的共价,促进了OER中吸附剂和活性位点之间的电子转移,降低了OER过程中速率决定步骤的能垒,从而获得了KIr4O8催化剂的优异催化性能。该纳米线阳极催化剂在PEMWE中具有工业电流密度和高稳定性。本研究结合两种策略,同时调节电子结构和形态,开发出高活性和稳定的OER催化剂。
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