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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室閆文盛教授課題組和美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校金松教授課題組合作，通過(guò)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，結(jié)合同步輻射吸收譜、光電子能譜與掃描透射電鏡聯(lián)用，成功系統(tǒng)性的揭示了研發(fā)的高活性9R-BaIrO3酸性水氧化電催化劑的表面活性層結(jié)構(gòu)及其演變過(guò)程。相關(guān)研究成果以“Identification of the active-layer structures for acidic oxygen evolution from 9R-BaIrO3electrocatalyst with enhanced iridium mass activity”為題，于10月25日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》雜志 (J. Am. Chem. Soc.2021, DOI: 10.1021/jacs.1c04087)。

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）

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(guò)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， 銥基鈣鈦礦氧化物在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中真實(shí)的活性層結(jié)構(gòu)及其演化過(guò)程一直缺乏全面系統(tǒng)的認(rèn)知， 同時(shí)貴金屬銥質(zhì)量活性較低和電化學(xué)穩(wěn)定性時(shí)長(zhǎng)較短， 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。

針對(duì)上述科學(xué)難題，閆文盛教授和金松教授課題組合作，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(guò)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)镮r5+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)研究不僅對(duì)銥基鈣鈦礦表面活性層結(jié)構(gòu)在反應(yīng)過(guò)程中的演變過(guò)程提出了深入的理解，同時(shí)也提出了開(kāi)發(fā)高效酸性水氧化電催化劑的新方法，將為未來(lái)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)。

圖2. IrOx/9R-BaIrO3的表面活性結(jié)構(gòu)在電化學(xué)水氧化過(guò)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。

論文共同第一作者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李娜博士后和已畢業(yè)博士生蔡亮。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，合肥大科學(xué)中心高端用戶培訓(xùn)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金等專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助，也得到了合肥國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、上海和北京同步輻射裝置測(cè)試機(jī)時(shí)的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04087

（國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、科研部）