氯氣析出反應（CER）的專一選擇性對於氯堿工業至關重要，因為它能夠獲得純凈的氯氣並避免副產物氧氣的分離成本。然而，目前已知的CER催化劑難以實作100%的選擇性。本文報道了一種新型催化劑：在CeO₂納米棒上負載單層原子Ir簇（IrSL/CeO₂）。在強金屬/載體相互作用下，IrSL對氧具有強吸附作用，從而抑制了氧氣析出反應（OER）。結合單層Ir簇的均勻活性位點，IrSL/CeO₂在酸性NaCl溶液中實作了幾乎100%的CER選擇性，並且催化活性比其單原子對應物高1.7倍，貴金屬效率比商業陽極（DSAs）高84倍。
成果簡介
本研究展示了IrSL/CeO₂在酸性NaCl溶液中的高效CER效能。IrSL/CeO₂在0.25 A cm⁻²的電流密度下，過電位僅為164 mV，而商用DSA為199 mV。IrSL/CeO₂的質素活性為34.54 A·mgIr⁻¹，比DSA高84倍。與Ir單原子催化劑（IrSAC）和Ir納米顆粒催化劑（IrNP）相比，IrSL/CeO₂展示了更高的選擇性和催化活性。電化學阻抗譜（EIS）顯示IrSL/CeO₂的電荷轉移阻抗最低，支持其高催化效率。
研究亮點
- 催化劑設計：單層原子Ir簇在CeO₂納米棒上的負載，實作了高選擇性和高活性。
- 高效穩定：在酸性NaCl溶液中，IrSL/CeO₂在0.25 A cm⁻²的電流密度下，表現出高達99.7%的CER選擇性。
- 能效提升：IrSL/CeO₂的貴金屬效率是商用DSA的84倍。
- 長時間穩定性：在1.0 A cm⁻²的電流密度下，催化劑在100小時內保持穩定，幾乎沒有效能下降。
配圖精析
圖1展示了IrSL/CeO₂催化劑的形貌和結構表征。a, b) HAADF-STEM影像顯示了IrSL簇均勻分布在CeO₂納米棒上。c, d) 強度差異圖展示了IrSL的單層結構。e, f) IrSL簇在CeO₂晶格上的邊緣檢視。g) 3D表面圖顯示了IrSL簇的二維特性。h, i) IrSAC/CeO₂和j) IrNP/CeO₂的參考催化劑影像。
圖2展示了IrSL/CeO₂、IrO₂和Ir箔的XAS表征。a) Ir L3-edge XANES光譜表明IrSL/CeO₂中的Ir為正價態。b) Ir L3-edge EXAFS光譜表明IrSL/CeO₂中Ir的Ir-O配位主導。
圖3展示了IrSL/CeO₂在酸性NaCl溶液中的CER效能。a) IrSL/CeO₂和DSA的極化曲線。b) IrSL/CeO₂和DSA的質素活性比較。c) IrSL/CeO₂和DSA的CER選擇性。d) IrSL/CeO₂、IrSAC/CeO₂和IrNP/CeO₂的極化曲線比較。e) IrSL/CeO₂、IrSAC/CeO₂和IrNP/CeO₂的CER選擇性。f) IrSL/CeO₂、IrSAC/CeO₂和IrNP/CeO₂的周轉頻率（TOF）。g) IrSL/CeO₂在不同條件下的穩定性測試。
圖4展示了DFT計算的IrSL/CeO₂和IrO₂上的CER和OER路徑圖。a) IrSL/CeO₂和IrSAC/CeO₂上氯吸附的結構示意圖。b) IrSL/CeO₂、IrSAC/CeO₂和IrO₂（110）表面的CER自由能圖。
圖5展示了DFT計算IrSL/CeO₂和IrO₂上的CER和OER路徑圖。(a) IrSL/CeO₂和IrSAC/CeO₂上氯吸附的結構示意圖。(b) IrSL/CeO₂、IrSAC/CeO₂和IrO₂（110）表面的CER自由能圖。(c) IrSL/CeO₂和IrO₂（110）表面的OER自由能圖。(d) IrSL/CeO₂和IrO₂（110）表面的CER和OER過電位比較。(e) SDCER與*Ocus吸附能的關系圖。
展望
本文展示了在CeO₂納米棒上負載單層原子Ir簇（IrSL/CeO₂）實作了100%選擇性的氯氣析出反應（CER），並且其催化活性顯著高於單原子和納米顆粒催化劑。透過理論計算揭示了IrSL/CeO₂的高選擇性和高活性機制，這一發現為設計高效選擇性電催化劑提供了新思路，特別適用於氯堿工業中的氯氣電解。
文獻資訊
標題：Atomic Single-Layer Ir Clusters Enabling 100% Selective Chlorine Evolution Reaction
期刊：ACS Catalysis
DOI：10.1021/acscatal.3c05738
原文連結：
https://doi.org/10.1021/acscatal.3c05738
