Formation Mechanism and Hydrothermal Synthesis of Highly Active Ir1–xRuxO2 Nanoparticles for the Oxygen Evolution Reaction

化学 热液循环 纳米颗粒 析氧 氧气 水热合成 反应机理 氧-18 机制(生物学) 水热反应 无机化学 化学工程 物理化学 催化作用 电化学 有机化学 哲学 电极 工程类 认识论
作者
Andreas Dueholm Bertelsen,Magnus Kløve,Nils Lau Nyborg Broge,Martin Bondesgaard,Rasmus Baden Stubkjær,Ann‐Christin Dippel,Qinyu Li,Richard D. Tilley,Mads R. V. Jørgensen,Bo B. Iversen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (34): 23729-23740 被引量:21
标识
DOI:10.1021/jacs.4c04607
摘要

Iridium dioxide (IrO2), ruthenium dioxide (RuO2), and their solid solutions (Ir1-xRuxO2) are very active electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER). Efficient and facile synthesis of nanosized crystallites of these materials is of high significance for electrocatalytic applications for converting green energy to fuels (power-to-X). Here, we use in situ X-ray scattering to examine reaction conditions for different Ir and Ru precursors resulting in the development of a simple hydrothermal synthesis route using IrCl3 and KRuO4 to obtain homogeneous phase-pure Ir1-xRuxO2 nanocrystals. The solid solution nanocrystals can be obtained with a tunable composition of 0.2 < x < 1.0 and with ultra-small coherently scattering crystalline domains estimated from 1.3 to 2.6 nm in diameter based on PDF refinements. The in situ X-ray scattering data reveal a two-step formation mechanism, which involves the initial loss of chloride ligands followed by the formation of metal-oxygen octahedra clusters containing both Ir and Ru. These octahedra assemble with time resulting in long-range order resembling the rutile structure. The mixing of the metals on the atomic scale during the crystal formation presumably allows the formation of the solid solution rather than heterogeneous mixtures. The size of the final nanocrystals can be controlled by tuning the synthesis temperature. The facile hydrothermal synthesis route provides ultra-small nanoparticles with activity toward the OER in acidic electrolytes comparable to the best in the literature, and the optimal material composition very favorably combines low overpotential, high mass activity, and increased stability.
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