王双印/陶李Angew.：单原子Ir催化剂上甲醇的超低电位氧化

研究内容

甲醇氧化(MOR)在实现可持续能源经济方面发挥着核心作用，但由于伴随着大量顺序中间体的多电子转移过程，甲醇氧化反应动力学缓慢。先前的工作表明，MOR至少需要3-4个原子，因此单原子催化剂对MOR的能力仍存在争议。

湖南大学王双印/陶李在高温聚合物电解质膜电解槽中，制备的单Ir原子催化剂在超低电位(＜0.1 V)下催化了高效的甲醇级联氧化反应，促进了热和电化学一体化。通过在阳极室中用单Ir原子催化剂组装甲醇氧化反应和析氢反应，最大产氢速率达到18 mol g Ir -1 h -1 ，远高于Ir纳米颗粒和商用Pt/C。相关工作以“Ultra-low-Potential Methanol Oxidation on Single-Ir-Atom Catalyst”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者将原子分散的Ir锚定在多孔碳催化剂(Ir-C SACs)被用作MOR催化剂。该催化剂可在超低电位(＜0.1 V)下催化了高效的甲醇级联氧化反应，促进了热和电化学一体化。

要点2.在高温下(160℃)，具有较高甲醇亲和力的缺电子Ir位点可以在超低外加电压(<0.1 V)下自发催化CH 3 OH脱氢为CO，然后生成的CO和H 2 被电化学氧化为CO 2 和质子。然而，在没有电压的情况下，甲醇不能热分解，证实了甲醇氧化过程中热集成和电化学集成耦合的必要性。

要点3.Ir-C SACs表现出优异的催化性能，仅在0.4 V下质量活性就高达1.8 A mg Ir -1 ，并且通过偶联析氢反应(HER)作为阴极，实现了约18 mol H2 ·h -1 ·g Ir -1 的有效析氢，这两种催化剂都优于所制备的Ir纳米颗粒(Ir CNP)和传统的Pt/C催化剂。

本研究还展示了单原子催化剂的电化学甲醇氧化活性，通过集成概念拓宽了可再生能源装置和催化剂设计。

研究图文

图1. 高效甲醇氧化和氢气生产的反应途径说明。

图2. Ir-C SACs的形态和结构表征。

图3. Ir-C SACs的化学状态和配位信息分析。

图4. 用于反应过程分析的MOR和气体产物的Ir-C SACs和参考样品的催化性能。

图5. 在操作条件(200℃，0.4 V)下，关键反应步骤的热力学自由能图和动力学势垒的DFT计算。

文献详情

Ultra-low-Potential Methanol Oxidation on Single-Ir-Atom Catalyst

Liyuan Gong, Xiaorong Zhu, Ta Thi Thuy Nga, Qie Liu, Yujie Wu, Pupu Yang, Yangyang Zhou, Zhaohui Xiao, Chung-Li Dong, Xianzhu Fu, Li Tao,* Shuangyin Wang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202404713