mxene 电催化，双金属纳米催化剂
chanong
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在本文中，我们提出了一种炭黑负载的IrPd 电催化剂，该催化剂在广泛的pH 条件下表现出优异的HER 和OER 双功能性能。优化后的IrPd催化剂在碱性条件下的HER和OER过电势分别为100和370 mV，比表面活性分别为4.46和3.98 A mgIr-1。当Ir44Pd56/KB催化剂应用于阴离子交换膜电解槽时，在250 mA cm-2电流下表现出20小时的稳定性，具有良好的实际应用前景。除了提供先进的电催化剂外，本研究还旨在通过控制金属催化位点的微环境和电子结构来开发理想的HER和OER双功能电催化剂，以实现多样化的催化效果，并导致合理的设计。这些发现有望促进绿色氢的大规模生产。
结果与讨论
图1 IrPd/KB合成过程及水分解机理示意图。
首先，KB在超声波的作用下均匀分散在纯水中。选择KB是因为它具有高比表面积、良好的电荷转移性能和高电化学稳定性。此外，酸化的KB不仅有利于其在溶液中的分散，而且增加了其亲和力并提供丰富的金属离子固定位点。随后，在连续搅拌下还原硼氢化钠，将目标金属离子（Ir3+和Pd2+）捕获在KB球上。
图2 a) PXRD 图案和b) Ir29Pd71/KB、Ir44Pd56/KB 和Ir74Pd26/KB 的XPS 扫描。 c) Ir29Pd71/KB、Ir44Pd56/KB和Ir74Pd26/KB不同金属元素阶段样品的XPS元素比。 d, e) Ir44Pd56/KB 的HAADF-STEM 图像。 f) C、O、Ir 和Pd 元素的EDS 元素图。 g, h) Ir44Pd56/KB 的HAADF-STEM 放大图像。 i) 球标记区域的强度分布图。
产品的粉末X射线衍射(PXRD)图谱如图1a所示。随着Ir含量的增加，归因于IrPd合金的衍射峰逐渐变高。通过透射电子显微镜（TEM）进一步监测Ir44Pd56/KB 的形貌。从明场TEM 图像中，可以观察到Ir44Pd56 合金均匀分布在KB 基板上（支持信息中的图S5 和S6）。此外，暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像显示，KB与Ir44Pd56合金的界面处出现了与重元素原子种类相对应的亮点，其尺寸为ca，有效证实了Ir44Pd56合金是分散了。 nm 固定在KB 上（图1d、e）。 EDS元素图和线扫描进一步证实Pd和Ir元素分布均匀，没有明显的元素分离（图1f；支持信息图S7和S8）。相应的放大的HAADF-STEM图像显示，大多数亮点和暗点连续出现（图1g-i），证实了Ir和Pd是均匀分布的。
性能测试
图3 a) Pd/KB、Ir29Pd71/KB、Ir44Pd56/KB、Ir74Pd26/KB、Ir/KB 和市售Ir/C 在1.0 m KOH 中的HER 极化曲线。 b) Pd/KB、Ir29Pd71/KB、Ir44Pd56/KB、Ir74Pd26/KB、Ir/KB 和Ir/C 在驱动电流密度分别为10、50 和100 mA cm-2 时的过电压() 比较。 c) 交换不同催化剂的电流密度。 d) 扫描速度为100mv s1时的CV曲线。 e) 计算不同催化剂的TOF值。 f) 比较催化剂的ecsa、Tafel 斜率、过电势、质量活性和tof。 g) Ir44Pd56/KB 与文献报道的催化剂的10 和Tafel 梯度比较。 h) Ir44Pd56/KB 20小时左右的耐久性测试。
通过线性扫描伏安法(LSV) 在1 m KOH 电解质中测试合成电催化剂的HER 电催化性能。从图2a中可以看出，未添加Ir的Pd/KB催化剂在10 mA cm-2 (10)的过电位下表现出较低的HER活性。随着Ir 含量的增加，HER 性能从Pd/KB 的10=175 mV 显着提高到Ir29Pd71/KB 的10=80 mV，并在Ir44Pd56/KB 的10=14 mV 时达到最高值。随着Ir 含量进一步增加，Ir74Pd26/KB 表现出与Ir/KB 催化剂相似的性能（Ir74Pd26/KB 为10=57 mV，Ir/KB 为10=52 mV），均与市售Ir/KB 相比表现更好比C.和Pt/C 催化剂（Ir/C 和Pt/C 的10 分别为71 和41 mV）（图2b）。
图4 a) Pd/KB、Ir29Pd71/KB、Ir44Pd56/KB、Ir74Pd26/KB、Ir/KB 和商用Ir/C 在1.0 m KOH 中的OER 极化曲线。 b）不同电极材料在10 mA cm-2和50 mA cm-2驱动电流密度下的过电势（）比较。 c) 各种最先进的OER催化剂在中性介质中的过电势（10 mA cm-2）和塔菲尔斜率的比较。 d) 对应于Pd/KB、Ir29Pd71/KB、Ir44Pd56/KB、Ir74Pd26/KB、Ir/KB 和市售Ir/C 的塔菲尔图。 e) 1.6 V 下金属质量比活度的比较。 f) 各种电极材料在1 m KOH 溶液中的TOF 与测试电位的关系。
根据图3a，氧反应（OER）性能是通过在1 m KOH 电解质中以10 mV s1 的扫描速率进行LSV 测量而产生的。比较OER极化曲线，我们发现Ir44Pd56/KB在10 mA cm-2下需要264 mV的过电势，比Ir29Pd71/KB低86 mV。然而，随着Ir 成分进一步增加，Ir74Pd26/KB 只需要293 mV 的过电位，并且Ir/Pd 比率约为1:1 即可最大限度地发挥Ir 和Pd 活性位点之间的协同作用，从而产生最高的OER 活性。这从过电压的塔菲尔图和塔菲尔斜率也获得了一致的结果，如图3c、d 所示。特别是，Ir44Pd56/KB 具有最低的过电势(264 mV) 和塔菲尔斜率(64 mV dec-1)，优于Ir29Pd71/KB (106 mV dec-1) 和Ir74Pd26/KB (83 mV dec-1)。是。Ir/KB (74 mV dec-1) 和Ir/C (71 mV dec-1)，以及大多数报道的催化剂（支持信息表S2）显示出最高的OER 活性和反应速率。
图5 a) 高分辨率XPS Ir 4f 光谱。 b) 高分辨率XPS Pd三维光谱。 c) Ir44Pd56/KB 的Ir 13 边缘XANES 光谱，参考金属Ir 和IrO2。 d) Ir44Pd56/KB、金属Ir和IrO2的EXAFS光谱的傅里叶变换。 e) k3加权Ir l3边缘EXAFS信号的小波变换。
利用XPS和XAFS对Ir29Pd71/KB、Ir44Pd56/KB、Ir74Pd26/KB、Ir/KB、Pd/KB等材料的化学成分和结构变化进行分析，得出IrPd合金氧还原反应的催化机理澄清了。做了。本研究发现，在Ir44Pd56/KB中，Ir失去电子，Pd获得电子，平衡了合金中Ir的催化活性，提供了良好的HER和OER性能。同时，Ir44Pd56/KB中形成的Ir-Pd和Ir-O配位结构促进H+和*OH的吸附，促进HER过程。另一方面，Ir-O 电子空穴有助于H+ 和*OH 的移动。 OER 过程中的电子。
图6 a) 由1.5 V AA 电池供电的电解池照片。 b) Ir44Pd56/KB||Ir44Pd56/KB 和Ir/C||Pt/C 在1.0 m KOH 下的极化曲线。 c) Ir44Pd56/KB||在1.0 m KOH下的电流密度与时间曲线。 d）AEM电解槽示意图（CP、碳纸、Pt@Ti泡沫、PT镀钛泡沫）。 e) AEM 设备照片。 f) 使用Ir44Pd56/KB作为阳极和阴极催化剂、市售Ir/C作为阳极、市售Pt/C作为阴极的AEM电解槽在室温和压力下的I-V曲线。电池电压没有iR 补偿。 g) 使用Ir44Pd56/KB||Ir44Pd56/KB 和Pt/C||Ir/C 纳米催化剂的AEM 电解槽在250 m A cm-2 下的计时电位曲线。
使用Ir44Pd56/KB 作为阳极和阴极催化剂构建了两电极水分解器，以与传统催化剂（如Ir/C||Pt/C）进行比较。结果表明，采用Ir44Pd56/KB作为催化剂的器件在电压仅为1.61 V的情况下即可实现50 mA/cm2的电流密度，并且具有较高的稳定性。 SEM分析表明，经过长期稳定性测试，Ir44Pd56/KB催化剂的形貌和组成保持良好。实验结果证明该Ir44Pd56/KB催化剂具有巨大的应用潜力，可以投入实际使用。
结论是
总体而言，本文提出了一种经济且简单的方法来合成Ir44Pd56/KB合金，作为优异的HER和OER双功能催化剂，以实现高效的水电解。实验分析表明，Ir44Pd56/KB催化剂的优越性能源于Ir和Pd之间的电子控制和有效的d轨道电子转移能力。在碱性电解液中，电池电压低至1.61V，电流密度达到50mA/cm2。此外，它还显示出在AEM电解槽中广泛应用的潜力。 Ir44Pd56/KB催化剂的发现为通过调整电子结构在理想双功能电催化剂中设计高效活性位点提供了独特的见解，并将指导未来广泛应用中的催化剂设计。你。
参考文献杨X.吴Z.邢Z.杨C.王W.严R.程C.马T.曾Z.李S. 赵， C. IrPd 纳米合金结构双功能电催化剂，用于高效且与pH 无关的水分解，Small 2023, 2208261。