Ultrahigh-Loading of Ir Single Atoms on NiO Matrix to Dramatically Enhance Oxygen Evolution Reaction

过电位 非阻塞I/O 化学 电催化剂 析氧 催化作用 密度泛函理论 Atom(片上系统) 氧化物 化学工程 物理化学 电极 电化学 计算化学 工程类 嵌入式系统 生物化学 有机化学 计算机科学
作者
Qi Wang,Xiang Huang,Zhi Liang Zhao,Maoyu Wang,Bin Xiang,Jun Li,Zhenxing Feng,Hu Xu,Meng Gu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (16): 7425-7433 被引量:479
标识
DOI:10.1021/jacs.9b12642
摘要

Engineering single-atom electrocatalysts with high-loading amount holds great promise in energy conversion and storage application. Herein, we report a facile and economical approach to achieve an unprecedented high loading of single Ir atoms, up to ∼18wt%, on the nickel oxide (NiO) matrix as the electrocatalyst for oxygen evolution reaction (OER). It exhibits an overpotential of 215 mV at 10 mA cm-2 and a remarkable OER current density in alkaline electrolyte, surpassing NiO and IrO2 by 57 times and 46 times at 1.49 V vs RHE, respectively. Systematic characterizations, including X-ray absorption spectroscopy and aberration-corrected Z-contrast imaging, demonstrate that the Ir atoms are atomically dispersed at the outermost surface of NiO and are stabilized by covalent Ir-O bonding, which induces the isolated Ir atoms to form a favorable ∼4+ oxidation state. Density functional theory calculations reveal that the substituted single Ir atom not only serves as the active site for OER but also activates the surface reactivity of NiO, which thus leads to the dramatically improved OER performance. This synthesis method of developing high-loading single-atom catalysts can be extended to other single-atom catalysts and paves the way for industrial applications of single-atom catalysts.
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