港城大JACS：图灵构筑与孪晶工程相结合，合成Pt/Ir催化剂用于高效水分解

铂族金属(PGMs)是目前广泛用于催化分解水反应的活性材料，但PGMs的大规模应用和相关能源技术(如氢燃料电池)的发展受到这些贵金属的高成本和低储量的极大限制。因此，人们正在努力提高PGMs的质量活性和降低其在材料中的负载量。在纳米催化剂中引入高密度孪晶是通过调节局域电子结构和配位环境来提高PGM催化剂质量活性的有效途径。

一般来说，孪晶高度依赖于层错能，并通过液相合成或特殊处理方法来实现。由于低的层错能，在Au和Ag基纳米催化剂中可以容易地制备高密度孪晶。相比之下，铂(Pt)和铱(Ir)具有大的堆垛错误能，制备孪晶Pt和Ir纳米晶体将消耗更多的能量。因此，通过传统的液相或动力学控制合成有效地孪晶Pt/Ir纳米催化剂仍然是一个巨大的挑战。

近日，香港城市大学吕坚课题组提出了基于图灵结构的高度孪晶化Pt和Ir纳米催化剂的设计原则，通过对超薄M-Al薄膜(M= Pt、Ir和Ag)的选择性刻蚀，制备出了具有高密度孪晶界的图灵型纳米网络。扭曲的Pt/Ir纳米条通过分叉相互交叉形成迷宫图灵型图案，这些构型促进了大量Pt和Ir位点的暴露，从而产生了大的电化学活性表面积。

同时，密度泛函理论(DFT)计算表明，孪晶边界上的反应位点能优化电子结构，降低水解离的能垒，加速反应的动力学。因此，该策略耦合了几何拓扑优化和高密度孪晶边界，为HER和OER提供高质量的活性。

电化学性能测试结果显示，在为10 mA cm⁻²时，图灵Pt纳米网的HER过电位为25.6 mV，并且在过电位为100 mV处质量活性为4.51 A mg^-1_Pt，是20wt% Pt/C(0.30 A mg^-1_Pt)的14.8倍；以相同方式合成的双功能图灵Ir在10 mA cm⁻²电流密度下的HER和OER过电位分别为21和246 mV，HER质量活性增加11.7倍(与Ir/C相比)和OER质量活性增加17.9倍(与IrO_x相比)。

此外，利用图灵Ir催化剂组装的阴离子交换膜(AEM)水电解槽在500 mA cm⁻²时具有良好的催化活性和100 h的长期稳定性。综上，图灵构筑与孪晶工程相结合的方法为纳米催化剂的活化提供了一种新的策略，这有助于促进清洁能源的可持续发展。

Twinning engineering of platinum/iridium nanonets as turing-type catalysts for efficient water splitting. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c12419

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