电催化水分解技术可以将太阳能和风能转化为清洁且可储存的氢能，有望缓解当今世界面临的能源危机和环境问题。水分解包括两个半反应，阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)。质子交换膜酸性电解槽具有产气易分离、成本低、副产物少、质子传导率高等优点。在酸性溶液中，高质子浓度为HER过程提供了动力学优势，使其在低过电位下达到大电流。
然而，OER过程是一个惰性的四电子过程，通常需要很高的过电位来驱动电催化剂工作，而高过电位下的酸性环境会导致金属基活性中心的快速溶解，从而导致催化剂严重失活。因此，设计和开发在酸性介质中具有高活性和稳定性的电催化剂对推动水电解技术的发展至关重要。基于此，华南理工大学沈葵和温州大学钱金杰等通过简单的金属有机骨架模板和双氰胺辅助热解策略，在碳布(CC)上构建了碳纳米管包覆的IrCo合金纳米粒子，形成了自支撑的双功能电催化剂IrCo@CNT/CC。实验结果显示，与多孔碳纳米片负载的IrCo合金纳米粒子相比，碳纳米管负载的IrCo合金纳米粒子具有更好的双功能活性和稳定性。在0.5 M H2SO4溶液中，IrCo@CNT/CC在10 mA cm-2电流密度下的HER和OER过电位分别为26和241 mV。此外，当IrCo@CNT/CC同时作为阳极和阴极组装的电解槽只需要1.50 V的超低电压就可以达到10 mA cm-2的电流密度，并且可以保持长达90 h的稳定性。实验结果和理论计算表明，与纯Ir和IrCo纳米颗粒相比，Co掺杂IrCo合金纳米颗粒提高了氢吸附自由能，加快了氢脱附生成氢气的速率，降低了析氢反应能垒，有利于实现高效析氢反应；对于OER，Co掺杂IrCo合金纳米颗粒上*OH转化为*O的能垒降低，加快了OER反应动力学，使得IrCo@CNT/CC催化剂具有优异的双功能催化活性。总的来说，该项研究为合理设计和合成碳纳米管包覆的金属合金纳米粒子作为稳定酸性水分解的高效双功能催化剂提供了思路。IrCo Nanoparticles Encapsulated with Carbon Nanotubes for Efficient and Stable Acidic Water Splitting. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c02887
