Theoretical Prediction and Experimental Verification of IrOx Supported on Titanium Nitride for Acidic Oxygen Evolution Reaction

化学 析氧 氮化物 密度泛函理论 催化作用 制氢 电解 电解水 化学工程 无机化学 计算化学 物理化学 电化学 有机化学 图层(电子) 电极 工程类 电解质
作者
Xue Han,Tianyou Mou,Arephin Islam,Sinwoo Kang,Qiaowan Chang,Xie Zhenhua,Xueru Zhao,Kotaro Sasaki,José A. Rodríguez,Ping Liu,Jingguang G. Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (24): 16499-16510 被引量:49
标识
DOI:10.1021/jacs.4c02936
摘要

Reducing iridium (Ir) catalyst loading for acidic oxygen evolution reaction (OER) is a critical strategy for large-scale hydrogen production via proton exchange membrane (PEM) water electrolysis. However, simultaneously achieving high activity, long-term stability, and reduced material cost remains challenging. To address this challenge, we develop a framework by combining density functional theory (DFT) prediction using model surfaces and proof-of-concept experimental verification using thin films and nanoparticles. DFT results predict that oxidized Ir monolayers over titanium nitride (IrOx/TiN) should display higher OER activity than IrOx while reducing Ir loading. This prediction is verified by depositing Ir monolayers over TiN thin films via physical vapor deposition. The promising thin film results are then extended to commercially viable powder IrOx/TiN catalysts, which demonstrate a lower overpotential and higher mass activity than commercial IrO2 and long-term stability of 250 h to maintain a current density of 10 mA cm-2. The superior OER performance of IrOx/TiN is further confirmed using a proton exchange membrane water electrolyzer (PEMWE), which shows a lower cell voltage than commercial IrO2 to achieve a current density of 1 A cm-2. Both DFT and in situ X-ray absorption spectroscopy reveal that the high OER performance of IrOx/TiN strongly depends on the IrOx-TiN interaction via direct Ir-Ti bonding. This study highlights the importance of close interaction between theoretical prediction based on mechanistic understanding and experimental verification based on thin film model catalysts to facilitate the development of more practical powder IrOx/TiN catalysts with high activity and stability for acidic OER.
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