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Grain Boundary Defect Engineering in Rutile Iridium Oxide Boosts Efficient and Stable Acidic Water Oxidation

金红石 晶界 氧化物 材料科学 化学工程 化学 冶金 工程类 催化作用 微观结构 有机化学
作者
Ning Zhang,Yingqi Fan,Depeng Wang,Yang Hong,Yang Yu,Jianwei Liu,Jianrong Zeng,Di Bao,Haixia Zhong,Xinbo Zhang
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:30 (38): e202400651-e202400651 被引量:1
标识
DOI:10.1002/chem.202400651
摘要

Abstract Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is considered a promising technology for coupling with renewable energy sources to achieve clean hydrogen production. However, constrained by the sluggish kinetics of the anodic oxygen evolution reaction (OER) and the acidic abominable environment render the grand challenges in developing the active and stable OER electrocatalyst, leading to low efficiency of PEMWE. Herein, we develop the rutile‐type IrO2 nanoparticles with abundant grain boundaries and the continuous nanostructure through the joule heating and sacrificial template method. The optimal candidate (350‐IrO2) demonstrates remarkable electrocatalytic activity and stability during the OER, presenting a promising advancement for efficient PEMWE. DFT calculations verified that grain boundaries can modulate the electronic structure of Ir sites and optimize the adsorption of oxygen intermediates, resulting in the accelerated kinetics. 350‐IrO2 affords a rapid OER process with 20 times higher mass activity (0.61 A mgIr−1) than the commercial IrO2 at 1.50 V vs. RHE. Benefiting from the reduced overpotential and the preservation of the stable rutile structure, 350‐IrO2 exhibits the stability of 200 h test at 10 mA cm−2 with only trace decay of 11.8 mV. Moreover, the assembled PEMWE with anode 350‐IrO2 catalyst outputs the current density up to 2 A cm−2 with only 1.84 V applied voltage, long‐term operation for 100 h without obvious performance degradation at 1 A cm−2.
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