Regulating Local Coordination Sphere of Ir Single Atoms at the Atomic Interface for Efficient Oxygen Evolution Reaction

化学 氧原子 协调球 氧气 原子氧 接口(物质) 化学物理 计算化学 结晶学 分子 有机化学 晶体结构 吉布斯等温线
作者
Ashwani Kumar,Marcos Gil‐Sepulcre,Jean Pascal Fandré,Olaf Rüdiger,Min Gyu Kim,Serena DeBeer,Harun Tüysüz
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (48): 32953-32964 被引量:105
标识
DOI:10.1021/jacs.4c08847
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Single-atom catalysts dispersed on an oxide support are essential for overcoming the sluggishness of the oxygen evolution reaction (OER). However, the durability of most metal single-atoms is compromised under harsh OER conditions due to their low coordination (weak metal–support interactions) and excessive disruption of metal-O lattice bonds to enable lattice oxygen participation, leading to metal dissolution and hindering their practical applicability. Herein, we systematically regulate the local coordination of Ir single-atoms at the atomic level to enhance the performance of the OER by precisely modulating their steric localization on the NiO surface. Compared to conventional Ir single-atoms adsorbed on NiO surface, the atomic Ir atoms partially embedded within the NiO surface (Ir emb -NiO) exhibit a 2-fold increase in Ir–Ni second-shell interaction revealed by X-ray absorption spectroscopy (XAS), suggesting stronger metal–support interactions. Remarkably, Ir emb -NiO with tailored coordination sphere exhibits excellent alkaline OER mass activity and long-term durability (degradation rate: ∼1 mV/h), outperforming commercial IrO 2 (∼26 mV/h) and conventional Ir single-atoms on NiO (∼7 mV/h). Comprehensive operando X-ray absorption and Raman spectroscopies, along with pH-dependence activity tests, identified high-valence atomic Ir sites embedded on the NiOOH surface during the OER followed the lattice oxygen mechanism, thereby circumventing the traditional linear scaling relationships. Moreover, the enhanced Ir–Ni second-shell interaction in Ir emb -NiO plays a crucial role in imparting structural rigidity to Ir single-atoms, thereby mitigating Ir-dissolution and ensuring superior OER kinetics alongside sustained durability.
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