在能源转换与存储领域，利用太阳能、海洋能、地热能以及风能等可再生能源驱动的水电解技术，为实现能源的可持续性提供了一条充满前景的途径。尽管如此，当前先进的电解技术往往依赖于额外的辅助过程，这些过程不仅增加了经济成本，还带来了额外的能源消耗。因此，开发能够直接处理含杂质水的电解技术，以规避这些附加过程，对于降低成本和提高能源效率具有重要意义。在这一背景下，研究和开发新型高效的电催化剂，尤其是那些能够在酸性条件下直接从含盐水中电解产生氯气（Cl2）和氢气的催化剂，成为了实现这一目标的关键。
2024年12月9日，加拿大魁北克大学：国立科学研究院孙书会院士、加拿大蒙特利尔大学张改霞教授、福建师范大学蒲宗华教授在国际期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《Ultrafast Synthesis of IrB1.15 Nanocrystals for Efficient Chlorine and Hydrogen Evolution Reactions in Saline Water》的研究论文。在此，研究人员成功合成了一种结构有序的铱硼合金（IrB1.15），通过超快速焦耳加热技术实现了在酸性含盐水中高效且持久的电解制氯和制氢。IrB1.15在电流密度为10 mA cm−2时，氯气演化反应（CER）和氢气演化反应（HER）的过电位分别仅为75 mV和12 mV，展现出卓越的电催化性能。此外，IrB1.15在CER和HER中均显示出超过90小时的稳定性。通过密度泛函理论（DFT）计算和原位拉曼光谱分析，揭示了IrB1.15中铱（Ir）作为CER的活性中心，以及硼（B）原子的引入如何通过减少Ir表面上吸附氢物种的形成来增强IrB1.15在HER中的表现。这些发现不仅为IrB1.15在CER和HER中的增强催化活性提供了理论支持，也为设计新型金属硼化物材料开辟了新途径，这些材料在电催化应用中展现出巨大的潜力。
要点一：超快速焦耳加热合成技术
研究中采用了超快速焦耳加热技术，成功合成了结构有序的IrB1.15纳米晶体。这种技术能够在几秒钟内快速升温至900°C并保持极短时间，有效避免了活性组分在长时间热处理中的烧结和聚集，实现了对材料粒径、组成和结构的精确调控。
要点二：卓越的电催化性能
IrB1.15在氯气演化反应（CER）和氢气演化反应（HER）中展现出了卓越的电催化性能。在电流密度为10 mA cm^-2时，CER的过电位仅为75 mV，HER的过电位更是低至12 mV，显示出比商业IrO2和Pt/C催化剂更优异的活性。此外，IrB1.15在长达90小时的稳定性测试中表现出了极高的稳定性，这在电催化领域中具有重要的应用潜力。
要点三：理论计算与实验结果的相互验证
通过密度泛函理论（DFT）计算和原位拉曼光谱分析，研究揭示了IrB1.15中Ir位点作为氯和氢吸附的活性中心，以及硼原子引入对电子结构和催化活性的积极影响。这些理论计算结果与实验观察相吻合，为理解IrB1.15的增强催化活性提供了深入的分子层面认识。
图2. IrB1.15的结构表征：(a, b) HAADF-STEM和BF图像；(c) 沿[-110]方向的晶体结构；(d) XRD图谱；(e) Ir 4f XPS谱图；(f) B 1s XPS谱图。
图2通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和明场（BF）图像（图2a和b），以及沿[-110]方向观察的IrB1.15晶体结构图（图2c），进一步展示了IrB1.15的原子排列与晶体结构的一致性。图2d中的X射线粉末衍射（XRD）图谱显示了IrB1.15的四方相特征峰，表明了其晶体结构和空间群。X射线光电子能谱（XPS）分析（图2e和f）揭示了IrB1.15中Ir和B元素的化学状态，其中Ir 4f和B 1s的结合能分别与IrB1.15的特征一致，表明了Ir-B键的形成和硼的表面氧化态。这些结果进一步证实了IrB1.15的化学组成和电子结构，为理解其电催化性能提供了基础。
图3. IrB1.15的氯气演化反应（CER）性能：(a) 在4.0 M NaCl中与IrO2的OER极化曲线比较；(b) 过电位；(c) Tafel斜率；(d) 与其他催化剂的过电位比较；(e) Nyquist图；(f) 双电层电容；(g) 循环伏安前后的极化曲线；(h) 计时电流曲线。
图3详细展示了IrB1.15在不同NaCl浓度下氯气演化反应（CER）的性能。图3a展示了IrB1.15在含4.0 M NaCl的电解质中的线性扫描伏安图（LSV），与不含氯离子的0.1 M HClO4溶液相比，IrB1.15在含氯电解质中的起始电位降低了约150 mV，表明其对CER的高选择性。图3b和c中的过电位和Tafel斜率进一步证实了IrB1.15的高活性和低电荷转移阻抗。图3e和f中的Nyquist图和双电层电容（Cdl）值表明IrB1.15具有优异的电化学活性表面积（ECSA）。图3g和h分别展示了IrB1.15在经过1000和2000次循环伏安（CV）后的极化曲线和长时间计时电流（CA）曲线，显示了其在长达90小时的操作中的稳定性。这些结果表明IrB1.15在CER中实现了活性和稳定性的良好平衡。
图4. IrB1.15的氢气演化反应（HER）性能：(a) 在0.5 M H2SO4中与IrO2和Pt/C的极化曲线比较；(b) 过电位；(c) Tafel斜率；(d) 与其他催化剂的过电位比较；(e) 循环伏安后的极化曲线；(f) 长期稳定性测试。
图4评估了IrB1.15在0.5 M H2SO4溶液中的氢气演化反应（HER）性能，并与商业IrO2和Pt/C进行了比较。图4a中的极化曲线显示，IrB1.15在10 mA cm−2的几何电流密度下仅需12 mV的过电位，低于Pt/C的22 mV和IrO2的50 mV。图4b和c中的过电位和Tafel斜率进一步证实了IrB1.15的高催化活性。图4d比较了IrB1.15与其它代表性催化剂的过电位，突出了其优越性。图4e和f分别展示了IrB1.15在经过1000次CV循环和长达110小时的长期电解后的稳定性，证明了IrB1.15作为一种出色的HER催化剂的耐用性。
图5. IrB1.15的催化性能理论分析：(a, b) IrB1.15(110)表面的侧视图和俯视图；(c) DFT计算模型；(d, f) CER和HER过程的自由能图；(e, g) CER和HER条件下的原位拉曼光谱。
图5通过密度泛函理论（DFT）计算和原位拉曼光谱分析，深入探讨了IrB1.15在CER和HER中的催化机制。图5a-c展示了IrB1.15(110)表面的侧视图和俯视图，以及DFT计算模型。图5d和f中的自由能图显示了IrB1.15和IrO2在CER和HER过程中的反应路径，揭示了IrB1.15对氯和氢的吸附能更接近于0 eV，表明其优异的吸附能力。图5e和g中的原位拉曼光谱进一步证实了IrB1.15中Ir位点作为氯和氢吸附的活性中心。这些结果为理解IrB1.15的电子结构和催化活性提供了深入的见解，证实了硼原子引入对IrB1.15电子结构和电催化性能的显著影响。
总之，本研究成功通过焦耳加热法合成了铱硼间化合物IrB1.15，并证实了其在氯气演化反应（CER）和氢气演化反应（HER）中表现出的卓越催化活性和稳定性。IrB1.15在产生10 mA cm^-2的操作电流密度时，仅需75 mV和12 mV的过电位，分别在4.0 M NaCl和0.5 M H2SO4溶液中。这些非凡的催化特性不仅与现有的商业催化剂如IrO2和Pt/C相媲美，而且展现出更优的长期耐久性。机理研究表明，IrB1.15中的Ir位点是CER的活性中心，而硼原子的引入能够减少Ir表面上吸附氢物种的形成，从而增强了IrB1.15在HER中的表现。此外，理论计算也证实了IrB1.15相对于IrO2和Pt/C对氯和氢具有更有利的吸附能。这些发现是IrB1.15在CER和HER中催化活性增强的主要因素。无疑，IrB1.15展示的催化活性为设计通过焦耳加热合成的金属硼化物材料开辟了新途径，这些材料在CER、HER以及其他相关电催化应用中展现出卓越的性能。
文献信息：Tingting Liu, Zhangsen Chen, Sixiang Liu, Pan Wang, Zonghua Pu, Gaixia Zhang, Shuhui Sun. Ultrafast Synthesis of IrB1.15 Nanocrystals for Efficient Chlorine and Hydrogen Evolution Reactions in Saline Water, Angewandte Chemie International Edition, 2024. https://doi.org/10.1002/anie.202414021.
超快高温焦耳热冲击技术推广
马弗炉、管式炉升温装置VS焦耳热升温装置
向上滑动阅览
Ultrarapid Nanomanufacturing of High‐Quality Bimetallic Anode Library toward Stable Potassium‐Ion Storage. Angewandte Chemie., 2023. DOI: 10.1002/anie.202303600
Ultrafast Non-Equilibrium Phase Transition Induced Twin Boundaries of Spinel Lithium Manganate, Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302484
High-temperature shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles for catalysis. Chinese Journal of Catalysis, 2023. DIO: https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64428-6.
Rapid High-Temperature Liquid Shock Synthesis of High-Entropy Alloys for Hydrogen Evolution Reaction. ACS nano., 2024. DOI: 10.1021/acsnano.3c07703
Rapid, in Situ Synthesis of High Capacity Battery Anodes through High Temperature Radiation-Based Thermal Shock. Nano Letter 2016, 16 (9), 5553-5558. DOI:10. 1021/acs.nanolett.6b02096.
High-Temperature Shock Enabled Nanomanufacturing for Energy-Related Applications. Advanced Energy Materials 2020, 10 (33), DOI: 10. 1002/aenm.202001331.
公司官网：
https://www.zhongkejingyan.com.cn/
仪器信息网：
https://www.instrument.com.cn/netshow/SH118239/
