研究背景

　　1. 氫能是未來一種有前途的可持續能源，水電解是生產綠色氫的最具擴展性的技術。電解過程中的析氫反應（HER）與電解液的pH值密切相關，酸性溶液有利于氫氣的產生。目前，Pt基催化劑被認為是HER的最佳催化劑，但它們在高電流密度下容易腐蝕，阻礙了其在PEM電解槽中的推廣。開發在高電流密度下具有良好活性和穩定性的催化劑對于使用質子交換膜電解槽制氫至關重要。

　　2. 銥基納米材料由于其類似 Pt 的固有活性和耐腐蝕性而成為有前途的酸性 HER 電催化劑。然而，Ir的高價格限制了其在PEM電解槽中的使用。研究人員通過調整貴金屬材料的納米結構，特別是使用具有高比表面積和優異電荷轉移效率的超薄納米材料（<5 nm="">

　　3. 正如Co 納米粒子的研究所示，弗蘭克部分位錯 (FPD) 的存在可以優化中間體的吸附。此外，具有 3D 開放結構的共面超薄納米片可提高金屬的原子利用率并防止團聚。因此，設計具有FPD和共面結構的Ir基超薄納米片催化劑對于提高酸性HER的性能至關重要。

　　研究內容

　　在這項研究中，采用高溫熱沖擊方法和KBr模板輔助技術合成了具有共面結構的超薄納米片和水稻-FPD（Dr-Ir/C NSs）。納米片內的 Ir 納米顆粒產生豐富的 FPD，從而產生穩定的壓縮應變。Dr-Ir/C NS 在酸性 HER 中表現出優異的質量活性，并且作為 PEM 陰極具有穩定性。納米片內豐富的 FPD 減弱了 Ir 對 H* 的吸附，增強了催化劑的本征活性。

 圖文解析

　　圖1 電鏡表征

　　通過各種表征研究了 Dr-Ir/C NS 的結構特征。SEM 和 TEM 圖像顯示了共面 Ir/C 的典型結構和層狀特性，大量納米顆粒均勻地嵌入納米片中。AFM 和 HRTEM 圖像顯示出約 3.9 nm 的超薄厚度和 Ir 納米顆粒的均勻分布。STEM-EDX 證實了 Ir 和 C 的均勻分布，質量分數為 69.4% Ir、28.82% C 和 1.78% O。XPS 分析表明 Dr-Ir/C NSs 中的 Ir 主要呈金屬態，也有一些 高價 Ir 可能與 C 結合。共面Dr-Ir/C 納米片的合成被發現依賴于 KBr 作為模板劑，從而阻止納米顆粒的生長。

　　圖2 XRD及HRTEM表征

　　該研究利用粉末 X 射線衍射 (XRD) 來分析共面 Dr-Ir/C NS 的晶體結構。XRD 圖案顯示面心立方結構，其特征峰代表 Ir 的晶面。Dr-Ir/C NSs 的衍射峰出現正移并表現出壓縮應變。 高溫熱沖擊誘導富含位錯的 Ir 納米顆粒，而溫和的煅燒方法不會施加應變。沒有顯著的 C 峰表明 Dp-Ir/C NS 中的碳可能更加無序。總體而言，模板劑確保了納米片的形成并防止納米顆粒生長，而高溫熱沖擊由于快速淬火而導致豐富的位錯。

　　圖3 Dr-Ir/C NS和對比催化劑在 0.5 M H2SO4 中的電催化HER性能

　　通過在 N2 飽和的 0.5 M H2SO4 電解質中進行實驗，探討了共面結構和 FPD 對 HER 催化活性的影響。 Dr-Ir/C NSs表現出最好的HER催化性能，具有低過電勢和高質量活性，表明共面結構和應變效應促進酸性HER。塔菲爾斜率和交換電流密度也證實了 Dr-Ir/C NS 優異的反應動力學。ECSA結果表明，FPD略微增加了電化學活性面積，而共面結構則顯著提高了電化學活性面積和原子利用效率。Dr-Ir/C NSs 表現出最佳的內在活性，具有高 TOF 值，表明 FPD 增強了內在活性。此外，Dr-Ir/C NSs 顯示出最小的阻抗，表明催化劑穩定性良好。

　　圖4 DFT理論計算

　　該研究使用密度泛函理論（DFT）計算來研究應變對Dr-Ir/C納米片（NSs）析氫反應（HER）活性的影響。結果發現，壓縮應變為 4% 的Dr-Ir/C NSs 表現出最好的 HER 活性，這由最小的氫吸附吉布斯自由能表明。進一步分析表明，壓縮應變減弱了Ir在H*上的吸附，從而提高了催化劑的本征活性。電子相互作用研究表明，在 4% 壓縮應變下，表面 Ir 原子的 d 帶中心向下移動，這表明 Ir 在 H* 上的吸附較弱。

　　圖5 Dr-Ir/C NSs催化劑在PEM電解槽中的性能

　　Dr-Ir/C NSs 催化劑在 PEM 電解槽中表現出優異的性能，對析氫反應 (HER) 具有較高的催化活性和穩定性。實現了接近 100% 的氫氣生產法拉第效率，幾乎所有電子都參與了 HER 過程?；?Dr-Ir/C NS 的 PEM 電解槽表現出長期穩定性，在 1.0 A cm?2 的電流密度下連續運行 200 小時，電壓降最小，優于 Pt/C || IrO2電解槽。

 全文小結

　　本文討論了使用高溫熱沖擊方法和 KBr 模板輔助技術合成具有共面結構和富 FPD（Dr-Ir/C NS）的超薄納米片。納米片在酸性 HER 中表現出優異的催化性能，具有低過電勢和高質量活性。納米片中 FPD 的存在有助于其穩定性和高效催化。實驗結果表明，由于 FPD，納米片表現出顯著的壓縮應變，從而增強了其內在活性。總體而言，具有共面結構和 FPD 的超薄納米片具有在各種反應中有效催化的潛力。

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202310591