a片网站视频,在线观看日本免费,男生和女生一起差差的app

Ir催化，最新Science！

米測MeLab 納米人 2024-05-10

特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。

原創丨彤心未泯（米測技術中心）

編輯丨風云

研究背景

質子交換膜( PEM )電解水由于其高功率密度和優異的負載跟隨性，是一種有前途的利用可再生能源實現可持續制氫的技術。迄今為止，銥基氧化物由于具有高穩定性，是PEM技術中最廣泛使用的析氧反應 (OER)催化劑。

關鍵問題

然而，銥基氧化物的應用仍存在以下問題：

1、由于Ir產量有限，其大規模應用需將負載量減少一個數量級

由于銥的年產量約為8 t year^?1，因此在目前的催化劑負載水平[2~4 mg_Ir cm^-2] 下，裝機容量僅限于約 10 GWyear^?1。因此，為了大規模應用質子交換膜電解，銥的負載量必須減少至少一個數量級。

2、尚未實現可與IrO₂性能相媲美的催化劑

盡管許多研究通過將銥與其他元素混合來減少銥的負載量或通過創建具有銥混合氧化態的氧化物，但目前為止，在PEM水電解條件下，尚未發現OER活性能與IrO₂相媲美的催化劑。

3、六價氧化銥的高預期效用尚未得到實驗證明

通過主動學習算法分析了數千種氧化銥對水電解的性能，認為六價氧化銥 (IrO³) 預計在酸中具有最高的活性和穩定性，但由于在酸性條件下陽離子浸出而容易溶解，六價氧化銥的高預期效用尚未得到實驗證明。

新思路

有鑒于此，日本Riken可持續資源科學中心Ailong Li、Ryuhei Nakamura等人報告了用于質子交換膜（PEM）水電解的原子分散的Ir^VI氧化物（Ir^VI-ado）的合成、表征和應用。Ir^VI-ado是通過用氧化錳 (MnO₂) 氧化取代六氯銥 (IV) 鉀 (K₂IrCl₆) 的配體合成的。質量比活度（1.7×10⁵ A g_Ir）和周轉數（1.5 × 10⁸）超過基準氧化銥，并且PEM 操作過程中的原位X射線分析表明 Ir^VI在電流密度高達2.3 A cm^-2時具有耐久性。IrVI-ado 的高活性和穩定性展示了其作為 PEM 電解陽極材料的前景。

技術方案：

1、通過原位XAS和XPS分析了Ir^VI的形成

作者通過K₂IrCl₆與MnO₂的氧化配體交換生成Ir^VI-ado的合成過程，通過XAS監測證實了MnO₂充當了Ir^VI形成的氧化劑并分析了晶格演變過程，利用XPS進一步證實了Ir^VI的成功合成。

2、表征了OER期間的電化學性能

作者通過電化學實現證實了Ir^VI-ado的質量活性比基準IrO₂高10 倍，且在反應過程中高價態可以保持。

3、評估了PEM電解過程中的長期穩定性

作者通過長期穩定性測量，評估了PEM電解過程中Ir^VI-ado的穩定性，結果證實了Ir^VI-ado的穩定性超過了現有銥基催化劑的值。

技術優勢：

1、報告了原子分散的六價氧化銥（Ir^VI-ado）的成功合成

本工作成功合成Ir^VI-ado的關鍵是引入MnO₂作為氧化劑將四價銥(Ir^IV)氧化為六價Ir^VI，該過程伴隨著配體從氯取代為氧。

2、允許將Ir的負載量減少＞96%

當使用Ir^VI-ado進行PEM電解時，在電池電壓為2.0 V、銥負載量為0.08 mg_Ir cm^?2時，電流密度達到4.0 A cm^?2 。觀察到的最大周轉數為1.5×10⁸，與目前的水平相比，該材料允許Ir負載量減少>96%，而無需補償活性或穩定性。

技術細節

Ir^VI形成的原位XAS分析

作者展示了通過K₂IrCl₆與MnO₂的氧化配體交換生成Ir^VI-ado的合成過程，使用原位X射線吸收光譜(XAS)監測Ir^VI-ado合成過程中銥氧化態和配位結構的變化。在煅燒過程中，銥從4+態氧化為更高的氧化態。通過高能量分辨率熒光檢測 XANES (HERFD-XANES) 光譜進一步確認銥的價態，估計Ir^VI-ado的氧化態為+5.8±0.1，并證實了電子排布為d³的六價Ir^VI的形成。在銥氧化過程中， MnO₂充當了Ir^VI形成的氧化劑。

圖 Ir^VI形成的原位XAS分析

Ir^VI結合能的評估

高分辨率 X 射線光電子能譜 (XPS)用于通過測定其內在結合能來確認六價 Ir^VI的形成。六價Ir^VI 4f與其他氧化態之間較大的結合能差異證實了Ir^VI的成功合成。XPS數據的定量分析表明，無論銥負載量如何（0.02、0.04 和 0.08 mg_Ir cm^?2），六價 Ir^VI都是 Ir^VI-ado 樣品的主要物種（>80%）。

圖 Ir^VI-ado的異位表征

OER期間的電化學性能和原位XAS

SEM顯示獲得的Ir^VI-ado均勻地覆蓋PTL基底，HAADF-STEM圖像顯示銥以原子方式分散在MnO₂氧化物載體上。在含有1M H₂SO₄作為電解質的三電極系統中，在1.6 V_RHE下銥負載量為0.02 mg_Ir cm^?2時，Ir^VI-ado的質量活性比基準IrO₂高 10 倍。當使用電化學活性表面積（ECSA）評估活性時也證實了相同的趨勢，這表明原子分散對于降低銥負載量的好處。使用原位電化學 XAS 測量，證實了Ir^VI-ado在PEM電解槽的OER條件下保持高價態 (Ir^VI)。即使在電流密度高達2.30 A cm^?2的PEM水電解過程中，六價Ir^VI態仍得以維持。此外，作者還證實了Ir^VI-ado的高穩定性。

圖通過原位XAS和長期電解分析Ir^VI-ado的穩定性

PEM電解過程中的長期穩定性

使用 Nafion 115膜在80°C下的商業PEM電解池中進行了長期穩定性測量，評估了PEM電解過程中Ir^VI-ado的穩定性。Ir^VI-ado在5×10⁴ A g_Ir^-1下的1710小時耐久性相當于1.5×10⁸的周轉數，這超過了在三電極和 PEM 設置中評估的現有銥基催化劑的值。在1.25×10⁴和2.5×10⁴A g_Ir^-1的質量比活度下進行的電極在3700和2100小時的操作過程中也分別顯示出約10⁸的高周轉數。通過優化的設置，在電池電壓為 2.0 V 時，電流密度達到 4.0 A cm^{?2，當使用 Nafion 212 時，電流密度進一步增加到7.0 A cm}^?2，質量活性在1.75 V 下超過1.7 × 10⁵ A g_Ir ^-1，該值超過在化學和電化學水氧化方面比銥基分子催化劑高出一個數量級。

圖 Ir^VI-ado在PEM中的電化學性能和長期穩定性

展望

總之，本工作成功合成了用于原子分散的Ir^VI氧化物（Ir^VI-ado），將其應用于質子交換膜（PEM）水電解獲得了高活性和高穩定性。與之前的值（2至4 mg_Ir cm^?2）相比，Ir^VI-ado將銥負載量減少了>96%。由于銥的稀缺性是太瓦級 PEM 電解的關鍵瓶頸，因此減少所需銥的可能性是實現全球碳中和的重要一步。

參考文獻：

Ailong Li, et al. Atomically dispersed hexavalent iridium oxide from MnO₂ reduction for oxygen evolution catalysis. Science, 2024, 384(6696):666-670.

DOI: 10.1126/science.adg5193

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5193

加載更多