Activating the passivated Ir sites in 3R-IrO2 by intercalating Pt atoms for enhanced oxygen reduction reaction activity

氧还原反应 化学 氧气 插层(化学) 还原(数学) 催化作用 氧还原 组合化学 光化学 无机化学 有机化学 电化学 电极 物理化学 几何学 数学
作者
Ruiqi Guo,Zhenglong Fan,Qingfeng Zhou,Mengjie Ma,Wenxiang Zhu,Fan Liao,Hao Yang,Jiajie Wang,Zhenhui Kang,Minqi Sheng
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:484: 149671-149671
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.149671
摘要

Iridium oxide (IrO2) has traditionally been considered to exhibit limited oxygen-reducing capacity. An effective approach to improve the oxygen reduction reaction (ORR) activity in parent catalytic materials is through atomic intercalation. However, the challenge lies in achieving a delicate balance between high ORR activity, structural stability, and minimizing the use of precious metals. Herein, we fabricate 3R-phase iridium oxide (3R-IrO2) with superior ORR activity by intercalating a tiny amount of Pt (3.6 wt% Pt) into the interlayers of 3R-IrO2 (3.6 wt% Pt-3R-IrO2). When employed as an acidic ORR electrocatalyst, 3.6 wt% Pt-3R-IrO2 shows a high half-wave potential (E1/2) of 0.92 V (vs. RHE) in O2-saturated 0.1 M HClO4 electrolyte, much better than those of Pt/C (0.850 V), 3R-IrO2 (0.616 V), and Pt nanoparticles on 3R-IrO2 surface (3.6 wt% Pt@3R-IrO2) (0.618 V) electrocatalysts. It achieves high mass activity of 0.170 A mgIr−1 at the potential of 0.9 V, which is 5.5 and 11.3 times than that of Pt/C (0.031 A mgIr−1) and 3.6 wt% Pt@3R-IrO2 (0.015 A mgIr−1), respectively. Density functional theory (DFT) calculations and experiment results co-jointly demonstrate that the active center of Pt-3R-IrO2 is anchored to the activated Ir atoms of the 3R-IrO2 rather than Pt atoms. The d-band center of Ir 5d orbitals of Pt-3R-IrO2 is simultaneously regulated, which optimizes the energy barrier of adsorption/desorption toward the ORR process. Intriguingly, the intercalation of Pt atoms into trigonal rhodium oxide (Tri-RhO2) also activates the ORR activity of Rh, suggesting the universality of this strategy. This discovery may provide a new and general way for activation of ORR activity of other precious metal-intercalated nonprecious metal oxide electrocatalysts.

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