北京大学郭少军团队，最新JACS！

第一作者：Heng Luo

通讯作者：郭少军，吕帆

通讯单位：北京大学

郭少军，北京大学博雅特聘教授、国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划首席科学家、英国皇家化学会会士；吉林大学学士、中科院应化所博士、布朗大学博士后、美国阿拉莫斯国家实验室奥本海默杰出学者。长期致力于将国家重大需求与基础研究相结合，重点研究燃料电池、氢能与储能电池。

（信息来源：https://faculty.pku.edu.cn/guoshaojun/zh_CN/index.htm）

论文速览

本文提出了一种新型的电催化剂设计策略，通过在原子层厚度的IrO_x（x ≤ 2）层上实现配位效应，显著提升了铱（Ir）基材料在析氧反应（OER）电催化中的活性。这种IrO_x层在阳极偏压下原位形成，当限制在原子厚度时，不仅具有有利的配位效应，而且由于较低的氧配位数，最大化了活性铱位点。然而，由于对表面重构动态了解有限，实验上获得原子层级的IrO_x仍然具有挑战性。

本研究通过使用IrVMn金属间化合物纳米颗粒诱导原位形成超薄IrO_x层（O-IrVMn/IrO_x），以实现配位效应，从而获得卓越的OER电催化性能。理论计算预测，有序原子排列产生的强烈电子相互作用可以有效阻碍过渡金属的过度流失，最小化氧配位的空位。

实验结果表明，O-IrVMn/IrO_x在10 mA cm^-2的电流密度下仅需要279 mV的过电位，并在1.53 V下展现出2.3 A mg⁻¹的高质量活性，超过了大多数报道的Ir基催化剂。

此外，O-IrVMn/IrO_x在电化学氧化下仅显示出0.05 at. %的Ir溶解，远低于无序的D-IrVMn/IrO_x（0.20 at. %）。密度泛函理论（DFT）计算揭示了加强的配位效应优化了OER过程中涉及的多个中间体的吸附能，并稳定了形成的催化IrO_x层。

图文导读

图1：原子迁移模型图，O-IrVMn和D-IrVMn的能量图。

图2：Ir L₃-edge X射线吸收近边结构（XANES）光谱，白线位置与d带空穴计数的关系，线性组合拟合（LCF）结果以及小波变换（WT）图谱。

图3：O-IrVMn/IrO_x、O-Ir₃VMn/IrO_x、D-IrVMn/IrO_x、Ir/C和IrO₂在0.1 M HClO₄中的OER极化曲线和Tafel斜率。

图4：O-IrVMn/IrO_x和D-IrVMn/IrO_x在原始状态下以及经过3000次加速耐久测试（ADTs）后的OER极化曲线。

图5：OER在不同模型上的反应路径，包括O-IrVMn/IrO₂、D-IrVMn/IrO₂和Ir/IrO₂，自由能图，Ir空位的形成能，以及在不同氧化电位下O-IrVMn/IrO_x、D-IrVMn/IrO_x和Ir箔的傅里叶变换Ir L₃-edge EXAFS的R空间图。

总结展望

本研究成功开发了一种新型的Ir基电催化剂O-IrVMn/IrO_x，通过在原子厚度的IrO_x层上实现配位效应，显著提升了OER的电催化性能。通过有序原子排列和强化的电子相互作用，实现了对过渡金属流失的有效控制，从而获得了超薄的IrO_x层。

这种设计不仅优化了OER中间体的吸附能，提高了反应动力学，还通过加强配位效应显著提升了催化剂的稳定性。本工作不仅为Ir基催化剂的设计提供了新的策略，也为开发具有高活性和稳定性的电催化剂开辟了新的道路。

文献信息

标题：Atomic-Layer IrO_x Enabling Ligand Effect Boosts Water Oxidation Electrocatalysis

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.4c05165

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