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Carbon Encapsulation of Supported Metallic Iridium Nanoparticles: An in Situ Transmission Electron Microscopy Study and Implications for Hydrogen Evolution Reaction

覆盖层 材料科学 催化作用 化学工程 纳米颗粒 X射线光电子能谱 透射电子显微镜 纳米技术 碳纤维 金属 化学 复合材料 物理化学 冶金 复合数 有机化学 工程类
作者
Panpan Liu,Alexander Klyushin,Praveen Chandramathy Surendran,Alexey Fedorov,Wangjing Xie,Chaobin Zeng,Xing Huang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (23): 24395-24403 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c10850
摘要

Carbon-supported metal nanoparticles (NPs) comprise an important class of heterogeneous catalysts. The interaction between the metal and carbon support influences the overall material properties, viz., the catalytic performance. Herein we use in situ and ex situ transmission electron microscopy (TEM) in combination with in situ X-ray spectroscopy (XPS) to investigate the encapsulation of metallic iridium NPs by carbon in an Ir/C catalyst. Real-time atomic-scale imaging visualizes particle reshaping and increased graphitization of the carbon support upon heating of Ir/C in vacuum. According to in situ TEM results, carbon overcoating grows over Ir NPs during the heating process, starting from ca. 550 °C. With the carbon overlayers formed, no sintering and migration of Ir NPs is observed at 800 °C, yet the initial Ir NPs sinter at or below 550 °C, i.e., at a temperature associated with an incomplete particle encapsulation. The carbon overlayer corrugates when the temperature is decreased from 800 to 200 °C and this process is associated with the particle surface reconstruction and is reversible, such that the corrugated carbon overlayer can be smoothed out by increasing the temperature back to 800 °C. The catalytic performance (activity and stability) of the encapsulated Ir NPs in the hydrogen evolution reaction (HER) is higher than that of the initial (nonencapsulated) state of Ir/C. Overall, this work highlights microscopic details of the currently understudied phenomenon of the carbon encapsulation of supported noble metal NPs and demonstrates additionally that the encapsulation by carbon is an effective measure for tuning the catalytic performance.
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