【催化】硅助力铱走上析氢顶峰

来源：X一MOL资讯

能源短缺和环境污染已成为当前人类社会所面临的两大难题。通过电解水产氢是解决这两大难题的潜在策略之一。在该领域中，设计并构筑高效、稳定的电解水催化剂是电解水产业的主要瓶颈。近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院的邵名望课题组与林海平副教授合作，报道了Ir/Si纳米线（Ir/SiNW）复合物电催化剂在析氢方面的研究。

目前，铂（Pt）是公认的、最优异的析氢电催化剂，Ir作为Pt的“邻居”，其ΔGH = 0.03 eV，数值比Pt（ΔGH = -0.09 eV）更接近于零。因此，根据Sabatier规则，Ir应当比Pt具有更强的析氢催化活性，是电催化产氢的最佳催化剂材料。然而，目前报道的Ir基析氢催化剂的催化活性均不如相应的Pt基催化剂。一般认为，这是由于Ir比Pt具有更大的内聚能，因此载体表面的Ir纳米颗粒比同等条件下的Pt纳米颗粒更加容易发生团聚，导致表面活性位点减少和催化效果降低。

近期，苏州大学团队通过将Ir纳米颗粒与Si纳米线进行复合，巧妙地解决了这一问题。在合成过程中，通过Si-H键的还原作用，他们能够将溶液中的Ir离子还原成为金属Ir，并通过Si-Ir键将直径为2.2 nm左右的Ir纳米颗粒均匀、牢固地负载在硅纳米线表面。前期的研究工作表明（Nat. Commun., 2016, 7, 12272），在金属与硅纳米线复合材料表面，HER的反应路径不是传统的“Volmer-Heyrovsky”或者“Volmer-Tafer”两步反应机理，而是“Volmer-氢迁移-Heyrovsky”机理。其中过渡金属是良好的氢吸附材料，而Si纳米线则是优异的氢脱附材料，整个反应的限速步骤取决于氢原子从金属纳米颗粒向硅纳米线转移过程中的迁移能垒。基于扎实的前期研究基础，作者根据密度泛函理论计算，提出在Ir/SiNW复合材料表面的析氢机理如下：Ir表面吸附H3O+产生Hads，然后扩散到Si表面脱附产生氢气。由于Ir和SiNW的协同作用，该复合材料表现出优异的析氢活性。与之前的研究结果不同，由于Ir本身已具有极为优良的HER催化效果，在SiNW的协同增益之下，其单位金属原子（Ir原子）的析氢催化效率达到了目前已知析氢催化剂材料的最大值。同时，由于Ir-Si键的强度较大，Ir纳米颗粒的团聚也得到了有效的抑制。因此Ir/SiNW不仅在工业产氢的条件下表现出超过商业Pt/C的催化活性，而且其催化稳定性也有了极为显著的提升。

实验表明，最优的Ir/SiNW (17.7 wt%)复合材料相对于20 wt% Pt/C具有更加优异的析氢活性和稳定性。具体而言，该复合材料到达电流密度为10mA•cm-2的过电位仅为22 mV，Tafel低至20 mV•dec-1。这种Ir/SiNW催化剂的设计理念为新型催化剂的设计提供了有益的思路和模型。

这一成果近期发表在ACS Nano上，文章的第一作者是苏州大学的博士后盛敏奇和博士研究生江彬彬。