Advanced Energy Materials:石墨炔氧化铱量子点催化剂用于高效酸性全水解反应

能源是人类社会生存和发展的重要物质基础。开发高活性、高稳定性及高选择性的催化剂是突破目前研究瓶颈、实现氢能等绿色可持续能源高效利用的关键。石墨炔(Graphdiyne, GDY)是具有我国自主知识产权的新碳材料,我国科学家引领了该领域的发展。石墨炔独特的化学和电子结构,使其具有丰富的天然活性位点、大的比表面积、出色的空穴传输能力等优异性质,在光/电催化、太阳能电池、能源存储及转换等领域展现出天然优势。

最近,中科院化学所李玉良课题组通过“石墨炔诱导金属原子锚定-量子点原位成核生长”的新策略,实现了金属氧化铱量子点均一可控生长和高度分散分布,获得了三维柔性石墨炔氧化铱量子点催化剂(IrOxQD/GDY)。研究结果显示,石墨炔可以有效调控量子点中金属原子的配位环境和价态,改善其电荷转移行为,实现反应活性位点数量的最大化。因此,获得的IrOxQD/GDY催化剂展现出优异的酸性析氧和酸性全水解反应性能和稳定性,比如,在0.5 M H2SO4电解液中,IrOxQD/GDY同时作为阳极和阴极材料组装成的酸性电解池能够在1.49 V (vs. RHE)的低电压下达到10 mA/cm2的电流密度以及经过30000次CV循环测试后性能几乎无衰减。该性能优于已报道的催化剂。该研究工作为设计新型高性能酸性电解池提供了新的思路。

图1(a)实验样品和(b)IrOxQD/GDY电极光学照片;(c, d)碳布,(e-g)石墨炔,以及(i-k)IrOxQD/GDY的SEM图像;(h)石墨炔和(l)IrOxQD/GDY的AFM图像;(m)IrOxQD/GDY样品元素分布;(n)IrOxQD/GDY的能谱仪(EDS)光谱(附图:样品中C、O、Ir含量);(o)碳布和(p)IrOxQD/GDY的接触角测试。

图2 石墨炔的(a)TEM和(b, c)HRTEM图像;IrOxQD/GDY的(d)TEM,(e, f)HRTEM,以及(g-l)HAADF-STEM图像;IrOxQD/GDY的(m)STEM和(n-p)元素映射图像及其(q)重叠图像;(r)石墨炔负载的IrOxQD的粒径分布(尺寸最可几值为1.48 ± 0.04 nm)。

图3 石墨炔和IrOxQD/GDY的(a)XPS全谱数据和(b)C 1s XPS精细谱图;(c)IrOxQD/GDY和(d)IrOxQDs的Ir 4f XPS精细谱图;(e)IrOxQD/GDY和IrOxQDs的O 1s XPS精细谱图;(f)石墨炔的拉曼谱图。结果表明:石墨炔有利于获得IrOxQD/GDY高的Ir3+/Ir4+混合价态;并且,石墨炔结构完整。

图4 (a)催化剂酸性OER的线性扫描极化曲线及其与已报道催化剂的性能比较(b);(c)催化剂的Tafel斜率;(d)IrOxQD/GDY和IrOxQDs在AOER中的CV循环稳定性;(e)催化剂酸性HER的LSV曲线及其与已报道催化剂的性能比较(f);(g)催化剂的Tafel斜率;(h)IrOxQD/GDY和IrOxQDs在酸性HER中的CV循环稳定性;(i)R(QR)(QR)等效电路模型;(j)Nyquist阻抗图;(k)IrOxQD/GDY的循环伏安曲线;(l)电容电流密度与扫描速率的关系。

图5 酸性析氧反应CV测试中不同循环数后的(a)C 1s,(b)Ir 4f,以及(c)O 1s的XPS精细谱图; CV前后(d)Ir3+/Ir4+和(e)-OH/M-O-M百分比统计;(f)全水解装置图;(g)IrOxQD/GDY‖IrOxQD/GDY和Pt/C‖RuO2酸性全解水性能比较;(h)酸性电解池稳定性测试;(i)CV测试过程中电池电压变化。

图6 (a)非界面和(b)界面铱位点的四步连续的电子步骤;活性中间体(OH*,O*,OOH*)在(c)Ir2位点和(d)Ir2-inter位点的吸附情况;(e)Ir2位点和(f)Ir2-inter位点的差分电荷密度图;IrOxQDs/GDY中(g)Ir2位点(h,i))Ir2-inter位点的晶体轨道哈密顿布居图(COHP);(j)U0RHE = 1.23 V时Ir位点上AOER的自由能图。

该项研究证明了石墨炔在金属氧化物量子点催化剂的可控合成及其在提升催化剂性能过程中的天然优势,为新型高效量子点催化剂的可控制备提供了新思路。

中国科学院化学研究所李玉良院士、山东大学薛玉瑞教授、中国科学院化学研究所何峰副研究员为论文共同通讯作者。

论文信息:

Acidic Water Oxidation on Quantum Dots of IrOx/Graphdiyne

Zhongqiang Wang, Zhiqiang Zheng, Yurui Xue*, Feng He*, Yuliang Li*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101138

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202101138