【DFT+实验】ACS Catalysis：尖晶石锚定的Ir单原子通过中间稳定化效应实现高效酸性水氧化

在工业质子交换膜（PEM）电解槽中，Ir氧化物被认为是唯一实用的析氧反应（OER）催化剂。然而，其活性低、成本高的缺点极大地阻碍了质子交换膜电解槽的规模化发展。

基于此，中国科学技术大学曹瑞国教授，李喜玉博士，雷占武博士（共同通讯作者）等人报道了原子分散的Ir原子加入到尖晶石Co₃O₄晶格中作为酸性OER催化剂，它对水氧化表现出优异的活性和稳定性。在10 mA cm^-2时，该催化剂的过电位降至226 mV，超高转换频率为3.15 s^-1 (η=30 0 mV)，比商用IrO₂高3个数量级。

本文通过DFT计算分别研究了Ir₁-Co₃O₄(311)和IrO₂(110)上的OER机制。IrO₂(110)表面的电势决定步骤（PDS）是*OOH的形成步骤（*O+H₂O→*OOH+H⁺+e^-），过电位为0.97 V。

然而，而Ir₁-Co₃O₄(311)的PDS是O₂的形成步骤（*OOH→*+O₂+H⁺+e^-）,过电位为0.41 V。这些结果表明Ir₁-Co₃O₄(311)有效地降低了过电位并大大增强了OER活性。

重要的是，在Ir₁-Co₃O₄(311)上生成*OOH的能量优势是由于*OOH的末端H原子和与Ir原子配位的晶格O原子之间的强氢键相互作用（氢键长度为1.75 Å），这种强氢键作用不能在吸附在IrO₂(110)和Co₃O₄(311)上的*OOH上形成。

因此，在Ir₁-Co₃O₄(311)上生成的*OOH的独特吸附构型会影响PDS并降低反应的过电位，进一步增强OER活性。

Spinel-Anchored Iridium Single Atoms Enable Efficient Acidic Water Oxidation via Intermediate Stabilization Effect. ACS Catal., 2023, DOI: 10.1021/acscatal.2c05940.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c05940.

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