氯气析出反应（CER）的专一选择性对于氯碱工业至关重要，因为它能够获得纯净的氯气并避免副产物氧气的分离成本。然而，目前已知的CER催化剂难以实现100%的选择性。本文报道了一种新型催化剂：在CeO₂纳米棒上负载单层原子Ir簇（IrSL/CeO₂）。在强金属/载体相互作用下，IrSL对氧具有强吸附作用，从而抑制了氧气析出反应（OER）。结合单层Ir簇的均匀活性位点，IrSL/CeO₂在酸性NaCl溶液中实现了几乎100%的CER选择性，并且催化活性比其单原子对应物高1.7倍，贵金属效率比商业阳极（DSAs）高84倍。
成果简介
本研究展示了IrSL/CeO₂在酸性NaCl溶液中的高效CER性能。IrSL/CeO₂在0.25 A cm⁻²的电流密度下，过电位仅为164 mV，而商用DSA为199 mV。IrSL/CeO₂的质量活性为34.54 A·mgIr⁻¹，比DSA高84倍。与Ir单原子催化剂（IrSAC）和Ir纳米颗粒催化剂（IrNP）相比，IrSL/CeO₂展示了更高的选择性和催化活性。电化学阻抗谱（EIS）显示IrSL/CeO₂的电荷转移阻抗最低，支持其高催化效率。
研究亮点
- 催化剂设计：单层原子Ir簇在CeO₂纳米棒上的负载，实现了高选择性和高活性。
- 高效稳定：在酸性NaCl溶液中，IrSL/CeO₂在0.25 A cm⁻²的电流密度下，表现出高达99.7%的CER选择性。
- 能效提升：IrSL/CeO₂的贵金属效率是商用DSA的84倍。
- 长时间稳定性：在1.0 A cm⁻²的电流密度下，催化剂在100小时内保持稳定，几乎没有性能下降。
配图精析
图1展示了IrSL/CeO₂催化剂的形貌和结构表征。a, b) HAADF-STEM图像显示了IrSL簇均匀分布在CeO₂纳米棒上。c, d) 强度差异图展示了IrSL的单层结构。e, f) IrSL簇在CeO₂晶格上的边缘视图。g) 3D表面图显示了IrSL簇的二维特性。h, i) IrSAC/CeO₂和j) IrNP/CeO₂的参考催化剂图像。
图2展示了IrSL/CeO₂、IrO₂和Ir箔的XAS表征。a) Ir L3-edge XANES光谱表明IrSL/CeO₂中的Ir为正价态。b) Ir L3-edge EXAFS光谱表明IrSL/CeO₂中Ir的Ir-O配位主导。
图3展示了IrSL/CeO₂在酸性NaCl溶液中的CER性能。a) IrSL/CeO₂和DSA的极化曲线。b) IrSL/CeO₂和DSA的质量活性比较。c) IrSL/CeO₂和DSA的CER选择性。d) IrSL/CeO₂、IrSAC/CeO₂和IrNP/CeO₂的极化曲线比较。e) IrSL/CeO₂、IrSAC/CeO₂和IrNP/CeO₂的CER选择性。f) IrSL/CeO₂、IrSAC/CeO₂和IrNP/CeO₂的周转频率（TOF）。g) IrSL/CeO₂在不同条件下的稳定性测试。
图4展示了DFT计算的IrSL/CeO₂和IrO₂上的CER和OER路径图。a) IrSL/CeO₂和IrSAC/CeO₂上氯吸附的结构示意图。b) IrSL/CeO₂、IrSAC/CeO₂和IrO₂（110）表面的CER自由能图。
图5展示了DFT计算IrSL/CeO₂和IrO₂上的CER和OER路径图。(a) IrSL/CeO₂和IrSAC/CeO₂上氯吸附的结构示意图。(b) IrSL/CeO₂、IrSAC/CeO₂和IrO₂（110）表面的CER自由能图。(c) IrSL/CeO₂和IrO₂（110）表面的OER自由能图。(d) IrSL/CeO₂和IrO₂（110）表面的CER和OER过电位比较。(e) SDCER与*Ocus吸附能的关系图。
展望
本文展示了在CeO₂纳米棒上负载单层原子Ir簇（IrSL/CeO₂）实现了100%选择性的氯气析出反应（CER），并且其催化活性显著高于单原子和纳米颗粒催化剂。通过理论计算揭示了IrSL/CeO₂的高选择性和高活性机制，这一发现为设计高效选择性电催化剂提供了新思路，特别适用于氯碱工业中的氯气电解。
文献信息
标题：Atomic Single-Layer Ir Clusters Enabling 100% Selective Chlorine Evolution Reaction
期刊：ACS Catalysis
DOI：10.1021/acscatal.3c05738
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acscatal.3c05738
