今日Nature Energy：Ir-Ta-O电催化剂，贵金属负载量低活性高！

第一作者：Ya-Rong Zheng, Jerome Vernieres, Zhenbin Wang, Ke Zhang.

通讯作者：Jens K. Nørskov, Ib Chorkendorff

通讯单位：丹麦技术大学

1.使用稳定的Ta₂O₅纳米团簇作为基质，开发了一种用于OER的经过质量筛选的铱-钽氧化物 (Ir-Ta-O) 催化剂。

2.小于2 nm的铱-钽氧化物纳米粒子表现出 1.2 ± 0.5 kA g_Ir^-1 的质量活性和在 320 mV 过电位下2.3 ± 0.9 s^-1的转换频率，相较于IrO₂分别提升了两倍和四倍。

【主要内容】

由可再生能源（例如太阳能和风能）驱动的水电解（2H₂O → 2H₂ + O₂）提供了一种以氢燃料形式储存能量的可持续策略。在酸性介质中运行的聚合物电解质膜电解槽是一种很有前景的能量转换技术，由于在加压条件下其电流密度高、响应速度快以及运行性能稳定，优于碱性条件下制氢。然而，缓慢的阳极析氧反应 (OER) 以及材料在恶劣工作条件下稳定性的挑战，严重限制了电催化剂材料的选择，阻碍了器件的大规模应用。目前，阳极催化剂主要建立在稀有的铱 (Ir) 上。寻找地球上丰富的替代品或开发具有最小Ir负载的催化剂可能是一种可行的策略。考虑到全球Ir资源及其对OER的催化性能，需要将Ir负载量减少40倍并增强其活性，以促进聚合物电解质膜电解槽的广泛使用。科研人员已经采取了许多方法来减少Ir消耗并提高Ir基催化剂的活性，例如将Ir分散到廉价的载体中，通过纳米结构操纵表面积以及通过浸出改造IrO_x表面。尽管如此，为了保持合理的活性和电导率，仍然需要>20 wt%的Ir负载量。

鉴于此，丹麦技术大学Jens K. Nørskov教授和 Ib Chorkendorff教授联合提出一种基于质量筛选的铱-钽氧化物催化剂，从而显著降低贵金属负载量。作者合成了一系列质量筛选的 Ir_0.1Ta_0.9O_2.45酸性OER催化剂，其Ir负载量为 9 wt%。并使用灵敏的电化学质谱仪结合同位素标记来研究动态操作条件下的产氧率，以解释副反应的发生并量化表面活性位点的数量，从而明确评估其真实OER活性。研究人员发现尺寸小于2 nm的Ir_0.1Ta_0.9O_2.45 NPs 在 0.1 M HClO₄ 中表现出增强的 OER 活性，并且在1.6 V下24小时内具有优异稳定性。通过同位素标记联合电化学质谱仪技术确定了表面活性Ir原子的数量，这种质量筛选的Ir_0.1Ta_0.9O_2.45催化剂也表现出很高的固有活性，在320 mV过电位下TOF值为2.3 ± 0.9 s^-1。经过DFT计算，这种Ir_0.1Ta_0.9O_2.45催化剂在酸中的良好OER 性能可通过有利的粒径，表面上良好的Ir分散性以及OER活性中心的有利原子构型来解释。作者预计本文的发现可适用于其他具有良好控制结构的宽带隙和耐腐蚀金属氧化物，从而加速开发新型低成本、稳定和高效的酸性OER电催化剂。

Fig. 1 | Preparation and characterization of mass-selected Ir–Ta NPs.

Fig. 2 | Monitoring oxygen evolution on gold-supported mass-selected Ir_0.1Ta_0.9O_2.45 NPs.

Fig. 3 | Comparison of OER catalytic performance.

Fig. 4 | Stability of mass-selected Ir_0.1Ta_0.9O_2.45 NPs.

Fig. 5 | Isotope labelling coupled with EC-MS-determined surface active sites and TOF values of mass-selected Ir_0.1Ta_0.9O_2.45 NPs.

Fig. 6 | Theoretical analysis of OER activity and stability.

Zheng, YR., Vernieres, J., Wang, Z. et al. Monitoring oxygen production on mass-selected iridium–tantalum oxide electrocatalysts. Nat Energy (2021). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00948-w