Twinning Engineering of Platinum/Iridium Nanonets as Turing-Type Catalysts for Efficient Water Splitting

化学 铂金 过电位 催化作用 纳米材料基催化剂 离解(化学) 晶体孪晶 化学物理 物理化学 结晶学 电极 电化学 生物化学 微观结构
作者
Jialun Gu,Lanxi Li,Qi Yang,Fubo Tian,Wei Zhao,Youneng Xie,Jinli Yu,An Zhang,Lei Zhang,Hongkun Li,Jing Zhong,Jiali Jiang,Yanju Wang,Jiahua Liu,Jian Lü
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (8): 5355-5365 被引量:52
标识
DOI:10.1021/jacs.3c12419
摘要

The twin boundary, a common lattice plane of mirror-symmetric crystals, may have high reactivity due to special atomic coordination. However, twinning platinum and iridium nanocatalysts are grand challenges due to the high stacking fault energies that are nearly 1 order of magnitude larger than those of easy-twinning gold and silver. Here, we demonstrate that Turing structuring, realized by selective etching of superthin metal film, provides 14.3 and 18.9 times increases in twin-boundary densities for platinum and iridium nanonets, comparable to the highly twinned silver nanocatalysts. The Turing configurations with abundant low-coordination atoms contribute to the formation of nanotwins and create a large active surface area. Theoretical calculations reveal that the specific atom arrangement on the twin boundary changes the electronic structure and reduces the energy barrier of water dissociation. The optimal Turing-type platinum nanonets demonstrated excellent hydrogen-evolution-reaction performance with a 25.6 mV overpotential at 10.0 mA·cm-2 and a 14.8-fold increase in mass activity. And the bifunctional Turing iridium catalysts integrated in the water electrolyzer had a mass activity 23.0 times that of commercial iridium catalysts. This work opens a new avenue for nanocrystal twinning as a facile paradigm for designing high-performance nanocatalysts.
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