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Atomic-Layer IrOx Enabling Ligand Effect Boosts Water Oxidation Electrocatalysis

化学 电催化剂 配体(生物化学) 图层(电子) 化学工程 原子层沉积 纳米技术 无机化学 物理化学 电化学 电极 有机化学 受体 生物化学 工程类 材料科学
作者
Heng Luo,Fangxu Lin,Qinghua Zhang,Dawei Wang,Kai Wang,Lin Gu,Mingchuan Luo,Fan Lv,Shaojun Guo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (28): 19327-19336 被引量:61
标识
DOI:10.1021/jacs.4c05165
摘要

An in situ formed IrO x ( x ≤ 2) layer driven by anodic bias serves as the essential active site of Ir-based materials for oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysis. Once being confined to atomic thickness, such an IrO x layer possesses both a favorable ligand effect and maximized active Ir sites with a lower O-coordination number. However, limited by a poor understanding of surface reconstruction dynamics, obtaining atomic layers of IrO x remains experimentally challenging. Herein, we report an idea of material design using intermetallic IrVMn nanoparticles to induce in situ formation of an ultrathin IrO x layer (O-IrVMn/IrO x ) to enable the ligand effect for achieving superior OER electrocatalysis. Theoretical calculations predict that a strong electronic interaction originating from an orderly atomic arrangement can effectively hamper the excessive leaching of transition metals, minimizing vacancies for oxygen coordination. Linear X-ray absorption near edge spectra analysis, extended X-ray absorption fine structure fitting outcomes, and X-ray photoelectron spectroscopy collectively confirm that Ir is present in lower oxidation states in O-IrVMn/IrO x due to the presence of unsaturated O-coordination. Consequently, the O-IrVMn/IrO x delivers excellent acidic OER performances with an overpotential of only 279 mV at 10 mA cm –2 and a high mass activity of 2.3 A mg –1 at 1.53 V (vs RHE), exceeding most Ir-based catalysts reported. Moreover, O-IrVMn/IrO x also showed excellent catalytic stability with only 0.05 at. % Ir dissolution under electrochemical oxidation, much lower than that of disordered D-IrVMn/IrO x (0.20 at. %). Density functional theory calculations unravel that the intensified ligand effect optimizes the adsorption energies of multiple intermediates involved in the OER and stabilizes the as-formed catalytic IrO x layer.
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