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Characterization of an Amorphous Iridium Water-Oxidation Catalyst Electrodeposited from Organometallic Precursors

化学 催化作用 无定形固体 氧化剂 本体电解 电化学 无机化学 扩展X射线吸收精细结构 氧化物 吸收光谱法 循环伏安法 结晶学 物理化学 有机化学 电极 物理 量子力学
作者
James D. Blakemore,Michael W. Mara,Maxwell N. Kushner-Lenhoff,Nathan D. Schley,Steven J. Konezny,Ivan Rivalta,Christian F. A. Negre,Robert C. Snoeberger,Oleksandr Kokhan,Jier Huang,Andrew B. Stickrath,Lan Anh Tran,Maria Kristina Parr,Lin X. Chen,David M. Tiede,Víctor S. Batista,Robert H. Crabtree,Gary W. Brudvig
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:52 (4): 1860-1871 被引量:64
标识
DOI:10.1021/ic301968j
摘要

Upon electrochemical oxidation of the precursor complexes [Cp*Ir(H(2)O)(3)]SO(4) (1) or [(Cp*Ir)(2)(OH)(3)]OH (2) (Cp* = pentamethylcyclopentadienyl), a blue layer of amorphous iridium oxide containing a carbon admixture (BL) is deposited onto the anode. The solid-state, amorphous iridium oxide material that is formed from the molecular precursors is significantly more active for water-oxidation catalysis than crystalline IrO(2) and functions as a remarkably robust catalyst, capable of catalyzing water oxidation without deactivation or significant corrosion for at least 70 h. Elemental analysis reveals that BL contains carbon that is derived from the Cp* ligand (∼ 3% by mass after prolonged electrolysis). Because the electrodeposition of precursors 1 or 2 gives a highly active catalyst material, and electrochemical oxidation of other iridium complexes seems not to result in immediate conversion to iridium oxide materials, we investigate here the nature of the deposited material. The steps leading to the formation of BL and its structure have been investigated by a combination of spectroscopic and theoretical methods. IR spectroscopy shows that the carbon content of BL, while containing some C-H bonds intact at short times, is composed primarily of components with C═O fragments at longer times. X-ray absorption and X-ray absorption fine structure show that, on average, the six ligands to iridium in BL are likely oxygen atoms, consistent with formation of iridium oxide under the oxidizing conditions. High-energy X-ray scattering (HEXS) and pair distribution function (PDF) analysis (obtained ex situ on powder samples) show that BL is largely free of the molecular precursors and is composed of small, <7 Å, iridium oxide domains. Density functional theory (DFT) modeling of the X-ray data suggests a limited set of final components in BL; ketomalonate has been chosen as a model fragment because it gives a good fit to the HEXS-PDF data and is a potential decomposition product of Cp*.
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