海水電解最新Angew：12秒900℃快速焦耳熱構(gòu)筑IrB?.??納米催化劑
近日，加拿大魁北克大學(xué)/國立科學(xué)研究院的孫書會院士團(tuán)隊在《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表了題為“Ultrafast Synthesis of IrB1.15 Nanocrystals for Efficient Chlorine and Hydrogen Evolution Reactions in Saline Water”的論文，通過超快速焦耳加熱技術(shù)成功合成了具有有序結(jié)構(gòu)的IrB1.15納米晶體，并將其應(yīng)用于酸性鹽水中的氯析出反應(yīng)（CER）和氫析出反應(yīng)（HER）。研究表明，IrB1.15在10 mA cm?2電流密度下表現(xiàn)出極低的過電位（CER為75 mV，HER為12 mV），并展現(xiàn)了卓越的選擇性（Cl2選擇性達(dá)98.3%）和長期穩(wěn)定性（連續(xù)運行90小時無明顯衰減）。密度泛函理論計算和原位拉曼光譜揭示，硼原子的引入通過調(diào)控銥的電子結(jié)構(gòu)和吸附性能，顯著提升了催化活性和穩(wěn)定性。該研究不僅證明了IrB1.15在鹽水電解中的巨大應(yīng)用潛力，也為利用硼化物開發(fā)新型高效電催化劑提供了新思路。1.氯氣與氫氣的工業(yè)需求：氯氣和氫氣是現(xiàn)代工業(yè)的重要產(chǎn)品，分別在水處理、有機合成、PVC生產(chǎn)和清潔能源領(lǐng)域具有重要地位。鹽水電解是一種同時制備氯氣和氫氣的關(guān)鍵技術(shù)，但其效率受限于催化劑的性能。2，現(xiàn)有催化劑的局限性：商業(yè)化催化劑如IrO2和Pt/C在氯析出反應(yīng)（CER）和氫析出反應(yīng)（HER）中表現(xiàn)出較好的活性，但其高成本和較差的長期穩(wěn)定性限制了大規(guī)模應(yīng)用。Ru基催化劑在酸性條件下易溶解，影響使用壽命，而Ir基催化劑活性尚需進(jìn)一步提升。3.金屬硼化物的潛力：過渡金屬硼化物因其優(yōu)異的機械、電子和化學(xué)性質(zhì)，成為新型電催化劑的研究熱點。然而，針對Ir基硼化物的系統(tǒng)研究仍然稀缺，主要原因在于其制備難度較高和工藝復(fù)雜性較大。4.合成技術(shù)的創(chuàng)新需求：傳統(tǒng)合成技術(shù)常需高溫、長時間反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑團(tuán)聚和性能下降。開發(fā)高效、可控的合成技術(shù)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)均一、性能優(yōu)越的硼化物催化劑，對于推動其在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。【研究方法】1.超快速焦耳加熱法的應(yīng)用：通過將氯銥酸銨和硼氫化鈉混合均勻，利用焦耳加熱技術(shù)在900 ℃下加熱12秒，快速合成IrB1.15納米晶體。該方法具有加熱速度快、時間短的特點，有效避免了材料團(tuán)聚和燒結(jié)問題，保證了催化劑的分散性和結(jié)構(gòu)完整性。圖1. 通過超快速焦耳加熱制備了IrB1.15納米晶體，并通過多種顯微和元素分析方法確認(rèn)了其結(jié)構(gòu)及元素分布2.材料的結(jié)構(gòu)與成分表征：使用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和X射線衍射（XRD）確認(rèn)晶體結(jié)構(gòu)及晶面特征，通過X射線光電子能譜（XPS）分析化學(xué)狀態(tài)，并通過高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）結(jié)合能量色散X射線（EDS）測定元素的空間分布，驗證B原子在Ir晶格中的有序填充。圖2. IrB1.15的晶體結(jié)構(gòu)具有有序填充的B原子，XRD和XPS分析表明其晶格穩(wěn)定且電子結(jié)構(gòu)被優(yōu)化3.電化學(xué)性能測試：通過線性掃描伏安法（LSV）和循環(huán)伏安法（CV）測試催化劑在酸性鹽水中的CER和HER性能，同時使用電化學(xué)阻抗譜（EIS）研究催化劑的電荷轉(zhuǎn)移效率，并通過旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極（RRDE）評估Cl2的選擇性。4.催化機理研究：結(jié)合密度泛函理論（DFT）計算和原位拉曼光譜技術(shù)，深入研究B摻雜對Ir電子結(jié)構(gòu)和催化活性的調(diào)控作用，包括反應(yīng)路徑分析、吸附能計算及活性中心的動態(tài)變化，為催化性能的提升提供理論支持。1.催化性能的提升：IrB1.15在10 mA cm?2電流密度下，CER和HER的過電位分別僅為75 mV和12 mV，優(yōu)于商業(yè)催化劑IrO2和Pt/C，表現(xiàn)出更高的催化活性。此外，HER法拉第效率高于98%，而Cl?選擇性達(dá)到98.3%，展現(xiàn)了卓越的工業(yè)應(yīng)用潛力。圖3. IrB1.15在酸性鹽水中表現(xiàn)出優(yōu)異的CER催化性能，具有低過電位、高選擇性和長時間穩(wěn)定性2.優(yōu)異的長期穩(wěn)定性：IrB1.15在2000次循環(huán)伏安測試后性能幾乎無衰減，在連續(xù)90小時的運行中依然保持穩(wěn)定。測試后通過TEM和XRD表征發(fā)現(xiàn)，其晶體結(jié)構(gòu)和形貌未發(fā)生明顯變化，證明其具有優(yōu)良的耐久性和抗腐蝕性。圖4. IrB1.15在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出卓越的HER催化活性，優(yōu)于商業(yè)催化劑且具有出色的長期穩(wěn)定性3.B原子的調(diào)控作用：DFT計算和原位拉曼光譜揭示，B原子的摻入優(yōu)化了Ir的電子結(jié)構(gòu)，顯著降低了氫的強吸附，同時提高了對氯的適度吸附能力，使催化劑在CER和HER中的反應(yīng)路徑更接近理想狀態(tài)。圖5. DFT計算和原位拉曼光譜揭示了B原子調(diào)控Ir電子結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化了CER和HER的催化性能4.綜合性能領(lǐng)先：綜合測試結(jié)果表明，IrB1.15在催化性能、選擇性和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于當(dāng)前主流的Ir和Ru基催化劑，充分證明其在酸性鹽水電解領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，為工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。【展望】1.合成方法的優(yōu)化：未來研究可通過調(diào)整前驅(qū)體比例、反應(yīng)溫度和時間等參數(shù)，進(jìn)一步提高焦耳加熱技術(shù)的可控性，提升IrB1.15納米顆粒的均勻性和一致性，從而提高其催化性能。2.材料體系的拓展：探索焦耳加熱技術(shù)在其他過渡金屬硼化物（如RhB、Pd2B）合成中的通用性，為開發(fā)多功能、高效催化劑提供可能性，并擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。3.工業(yè)化的推進(jìn)：通過大規(guī)模制備工藝的開發(fā)，降低材料生產(chǎn)成本，推動IrB1.15催化劑在工業(yè)電解制氫和制氯中的實際應(yīng)用，從而助力清潔能源和綠色化工技術(shù)的發(fā)展。4.基礎(chǔ)研究的深入：結(jié)合實驗和理論進(jìn)一步研究B原子摻雜對Ir電子結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控機制，探索不同B摻雜比例對催化性能的影響，為設(shè)計新型高效催化劑提供理論指導(dǎo)，并推動硼化物材料在其他催化領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。