DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01807-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39433919
تاريخ النشر: 2024-10-21
المؤلف: Jie Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تتناول هذه الفقرة تطوير محفز مبتكر من ذرة واحدة من الإيريديوم، يُشار إليه بـ Ir₁/(Co,Fe)-OH/MI، والذي يتم تنسيقه خارج المستوى مع ثنائي ميثيل إيميدازول (MI) على هيدروكسيد الكوبالت والحديد. تم تصنيع المحفز من خلال طريقة غمر بسيطة ويظهر أداءً كيميائيًا كهربائيًا ملحوظًا، حيث يحقق جهدًا زائدًا منخفضًا للغاية يبلغ 179 مللي فولت عند كثافة تيار 10 مللي أمبير سم⁻² و257 مللي فولت عند 600 مللي أمبير سم⁻²، إلى جانب ميل تافل صغير بشكل ملحوظ يبلغ 24 مللي فولت ديسيبل⁻¹. علاوة على ذلك، فإن نشاطه الكلي يتجاوز نشاط الإيريديوم التجاري IrO₂ بمقدار 58.4، مما يدل على تقدم كبير في كفاءة OER.
تسلط الدراسة الضوء على الدور الحاسم لتنسيق MI في تسهيل إعادة توزيع الإلكترونات حول مواقع Ir، مما يؤدي إلى تحول إيجابي في مركز حزمة d عند مواقع Ir وCo المجاورة. هذا التحول يُحسن مسار الطاقة لتفاعل تطور الأكسجين (OER)، وهو عملية رئيسية في التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين. على الرغم من الأداء الواعد للهيدروكسيدات/الأوكسيهيدروكسيدات المعدنية القائمة على Co وFe وNi، التي أظهرت جهودًا زائدة في OER قابلة للمقارنة مع المحفزات التجارية، تشير النتائج إلى أن محفز Ir₁/(Co,Fe)-OH/MI يمثل تحسينًا كبيرًا، حيث يعالج التحديات المتعلقة بالاستخدام العالي للمعادن الثمينة والجهود الزائدة في تطبيقات OER.
نقاش
تسلط فقرة النقاش في ورقة البحث الضوء على التقدم الكبير في أداء تفاعل تطور الأكسجين (OER) الذي تم تحقيقه من خلال تنسيق ذرات Ir الفردية مع ثنائي ميثيل إيميدازول (MI) على رقائق هيدروكسيد الكوبالت والحديد، المشار إليها بـ Ir\(_1\)/(Co,Fe)-OH/MI. كشفت التقييمات الكهروكيميائية في 1 م KOH أن هذا المحفز أظهر نشاطًا ملحوظًا في OER، مع جهود زائدة منخفضة تصل إلى 179 مللي فولت عند 10 مللي أمبير سم\(^-2\) وميل تافل يبلغ 24 مللي فولت ديسيبل\(^-1\)، متفوقًا على كل من المحفزات التقليدية مثل IrO\(_2\) وغيرها من المحفزات الكهربائية ذات الذرات الفردية من المعادن الثمينة المتطورة. تؤكد الدراسة على دور تنسيق الجزيئات خارج المستوى في تعزيز الهيكل الإلكتروني والأداء التحفيزي، كما يتضح من حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) التي أشارت إلى تحسين إعادة توزيع الشحنات وامتصاص مواتٍ لوسائط OER.
علاوة على ذلك، أظهر المحفز Ir\(_1\)/(Co,Fe)-OH/MI المُصنَّع استقرارًا وأداءً استثنائيين في تطبيقات التحليل الكهربائي للماء بشكل عام، حيث حافظ على تشغيل مستقر لأكثر من 120 ساعة عبر كثافات تيار مختلفة. كما توضح البحث طريقة تصنيع عامة من خطوتين أنتجت بنجاح محفزات أخرى من المعادن الثمينة ذات الذرات الفردية (مثل Pt وPd وRu) المنسقة مع MI، مما يشير إلى منصة متعددة الاستخدامات لتطوير محفزات متقدمة لمجموعة من التفاعلات الكهروكيميائية. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على إمكانيات تنسيق MI في تحسين أداء محفزات المعادن الثمينة ذات الذرات الفردية في تطبيقات OER.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01807-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39433919
Publication Date: 2024-10-21
Author(s): Jie Zhao et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
This section discusses the development of an innovative Ir single-atom catalyst, denoted as Ir₁/(Co,Fe)-OH/MI, which is coordinated out-of-plane with dimethylimidazole (MI) on CoFe hydroxide. The catalyst was synthesized through a straightforward immersion method and exhibits remarkable electrochemical performance, achieving ultralow overpotentials of 179 mV at a current density of 10 mA cm⁻² and 257 mV at 600 mA cm⁻², alongside a notably small Tafel slope of 24 mV dec⁻¹. Furthermore, its total mass activity surpasses that of commercial IrO₂ by a factor of 58.4, indicating a significant advancement in OER efficiency.
The study highlights the critical role of MI coordination in facilitating electron redistribution around the Ir sites, which results in a positive shift in the d-band center at adjacent Ir and Co sites. This shift optimizes the energy pathway for the oxygen evolution reaction (OER), a key process in electrochemical water splitting for hydrogen production. Despite the promising performance of existing Co-, Fe-, and Ni-based metal oxyhydroxides/hydroxides, which have shown OER overpotentials comparable to commercial catalysts, the findings suggest that the Ir₁/(Co,Fe)-OH/MI catalyst represents a substantial improvement, addressing the challenges of high precious metal usage and overpotentials in OER applications.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant advancements in the oxygen evolution reaction (OER) performance achieved through the coordination of single Ir atoms with dimethylimidazole (MI) on CoFe hydroxide nanosheets, denoted as Ir\(_1\)/(Co,Fe)-OH/MI. Electrochemical evaluations in 1 M KOH revealed that this catalyst exhibited remarkable OER activity, with overpotentials as low as 179 mV at 10 mA cm\(^-2\) and a Tafel slope of 24 mV dec\(^-1\), outperforming both traditional catalysts like IrO\(_2\) and other state-of-the-art hydroxide-based noble-metal single-atom electrocatalysts. The study emphasizes the role of out-of-plane ligand coordination in enhancing the electronic structure and catalytic performance, as evidenced by density functional theory (DFT) calculations that indicated improved charge redistribution and favorable adsorption of OER intermediates.
Furthermore, the synthesized Ir\(_1\)/(Co,Fe)-OH/MI catalyst demonstrated exceptional stability and performance in overall water splitting applications, maintaining stable operation for over 120 hours across various current densities. The research also outlines a generalizable two-step synthesis method that successfully produced other noble-metal single-atom catalysts (e.g., Pt, Pd, Ru) coordinated with MI, suggesting a versatile platform for developing advanced catalysts for a range of electrochemical reactions. Overall, these findings underscore the potential of MI coordination in optimizing the performance of noble-metal single-atom catalysts in OER applications.