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氧析出反应（OER）是水电解制氢的重要步骤，其效率直接影响可再生能源的利用。铱基催化剂因其优异的稳定性和电催化活性被广泛研究，然而，铱的高成本和稀缺性限制了其大规模应用。因此，探索高效、低成本铱基电催化剂的设计策略至关重要。本文利用冷冻电子显微镜结合电子能量损失光谱（EELS），揭示了电化学氧化铱（IrOx）纳米颗粒在OER中的尺寸依赖性核心-壳结构，为优化铱基催化剂性能提供了新视角。
成果简介
研究发现，IrOx纳米颗粒的核心-壳结构随尺寸变化表现出显著的不同：小于5 nm的纳米颗粒呈现全纳米孔无定形结构，而较大颗粒（>5 nm）则形成金属铱核心和水合氧化铱壳层夹杂亚化学计量氧化铱界面层的核心-壳结构。亚化学计量IrOx层中直接观测到的去质子化氧物种被证实是提高OER活性的关键。更大尺寸的纳米颗粒展示出更高的表面比活性。
研究亮点
尺寸依赖性结构与活性关联
通过冷冻电镜，首次揭示不同尺寸IrOx纳米颗粒的核心-壳结构与OER活性之间的相关性。亚化学计量IrOx层的发现
识别并确认了IrOx界面层中高度亲电的OI⁻物种，其在提升OER活性中发挥重要作用。冷冻电子显微术的应用
冷冻STEM和EELS技术成功表征了电子束敏感的IrOx无定形结构，提供了高分辨率的表面和界面信息。
配图精析
图1：IrOx纳米颗粒的尺寸调控与结构表征，包括不同热处理温度下的粒径分布和XRD结果，展示了纳米颗粒随温度升高逐渐增大的趋势。
图2：电化学性能测试结果，包括不同尺寸IrOx纳米颗粒的循环伏安曲线和OER极化曲线，揭示了粒径对氧析出活性的显著影响。
图3：冷冻HAADF-STEM图像展示了IrOx纳米颗粒的核心-壳结构，其中小尺寸颗粒表现为全无定形结构，而大颗粒表现出明显的金属铱核心和氧化铱壳层。
图4：冷冻EELS测量结果直接显示了亚化学计量IrOx界面层中的OI⁻物种，其强度随颗粒尺寸增加而增强。
图5：20 nm IrOx纳米颗粒的高分辨率STEM图像及O原子比的线性分布，进一步揭示了壳层从纳米孔到紧凑结构的演变。
图6：IrOx纳米颗粒的尺寸依赖性核心-壳结构示意图，总结了从小尺寸到大尺寸纳米颗粒的结构变化及其对OER活性的影响。
展望
本研究利用冷冻电镜技术，深入揭示了IrOx纳米颗粒的尺寸依赖性核心-壳结构及其对OER活性的影响，为高效铱基催化剂的设计提供了新思路。未来工作将聚焦于进一步优化IrOx界面结构及其稳定性，以实现更高效的电催化性能。
文献信息
期刊：ACS Nano
DOI：10.1021/acsnano.4c10657
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10657
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