IrO2析氧催化位点的电子结构调控研究

作     者：韩欣迪 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邹晓新

授予年度：2024年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：电催化 析氧反应 铱 活性位点 电子结构 

摘      要：在多个电化学催化反应过程中（例如,水裂解、CO2还原、固氮反应等）,阳极端都要发生水氧化反应（又称析氧反应）。析氧反应动力学缓慢,严重制约了整个电催化过程的能量效率,发展高效的析氧催化剂十分重要。随着质子交换膜水裂解器件应用的快速发展,人们对酸性环境下高效稳定的析氧催化剂的需求愈加迫切。IrO2是当前商业酸性析氧催化剂,但是铱位点的催化活性仍不理性,并且缺乏理性的活性位点设计策略。本论文以理论计算作为指导,构建了掺杂型IrO2和负载型IrO2两类催化剂结构模型,系统研究了活性位点的电子结构和析氧反应之间的内在关系,加深了对IrO2活性位点的理论认识。主要研究内容如下: 1、理论构建了59种过渡金属掺杂的氧化铱模型（M-IrO2）,利用布拜图筛选了13种在酸性氧化条件下结构稳定的M-IrO2催化剂。研究了掺杂原子类型和浓度对于活性位点性质的影响,揭示了次表面掺杂有助于调控表面铱位点的eg轨道填充,从而优化氧中间体的吸附强度和改善析氧催化性能。基于理论筛选,发现了次表面Cu掺杂和Li掺杂的IrO2催化剂位于析氧活性火山图的顶端,接近析氧反应的理论最佳活性。 2、为进一步降低铱含量,理论构建了13种过渡金属氧化物负载的氧化铱模型（IrO2@MO2）,研究了载体和催化剂的界面相互作用对表面Ir位点的析氧催化活性的影响。结合表面吸附性质和电子结构的理论计算研究,揭示了载体和铱催化剂的电子相互作用能够调控表面Ir位点对氧中间体的吸附性质。基于理论研究结果,筛选了IrO2@WO2作为活性优异的低铱析氧催化剂。