Rational Design of Rhodium–Iridium Alloy Nanoparticles as Highly Active Catalysts for Acidic Oxygen Evolution

析氧 过电位 合理设计 催化作用 电解质 纳米颗粒 化学工程 合金 电化学 材料科学 分解水 无机化学 化学 纳米技术 电极 物理化学 冶金 光催化 有机化学 工程类
作者
Hongyu Guo,Zhiwei Fang,Hao Li,Desiree Fernandez,Graeme Henkelman,Simon M. Humphrey,Guihua Yu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:13 (11): 13225-13234 被引量:217
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b06244
摘要

The oxygen evolution reaction (OER) is pivotal for renewable energy conversion and storage devices, such as water electrolyzers and rechargeable metal-air batteries. However, the rational design of electrocatalysts with suitably high efficiencies and stabilities in strongly acidic electrolytes remains a significant challenge. Here, we show the demonstration of sub-10 nm, composition-tunable Rh-Ir alloy nanoparticles (NPs) prepared using a scalable microwave-assisted method as superior acidic OER catalysts. The OER activities showed a volcano-shaped dependence on Ir composition, with Ir-rich NPs (Ir ≥ 51%) achieving better OER performance than pure Ir NPs, as reflected by lower overpotentials and higher mass activities. Most significantly, Rh22Ir78 NPs achieved a maximum mass activity of 1.17 A mg-1Ir at a 300 mV overpotential in 0.5 M H2SO4, which corresponds to a 3-fold enhancement relative to pure Ir NPs, making it one of the most active reported OER catalysts under acidic conditions. Density functional theory calculations reveal that owing to the synergy of ensemble and electronic effects by alloying a small amount of Rh with Ir, the binding energy difference of the O and OOH intermediates is reduced, leading to faster kinetics and enhanced OER activity. Furthermore, Rh-Ir alloy NPs demonstrated excellent durability in strongly acidic electrolyte. This work not only provides fundamental understandings relating to composition-electrochemical performance relationships but also represents the rational design of highly efficient OER electrocatalysts for applications in acidic media.
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