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Unravelling the mechanistic complexity of the oxygen evolution reaction and Ir dissolution in highly dimensional amorphous hydrous iridium oxides
Energy & Environmental Science ( IF 32.4 ) Pub Date : 2024-11-29 , DOI: 10.1039/d4ee02839b Marianne van der Merwe, Yonghyuk Lee, Romualdus Enggar Wibowo, Tathiana Kokumai, Anna Efimenko, Mauricio D. Arce, Catalina E. Jimenez, Benjamin Howchen, Rosario Suarez Anzorena, Ilaria Lucentini, Carlos Escudero, Götz Schuck, Zdravko Kochovski, Marco Favaro, David E. Starr, Karsten Reuter, Christoph Scheurer, Marcus Bär, Raul Garcia-Diez
Energy & Environmental Science ( IF 32.4 ) Pub Date : 2024-11-29 , DOI: 10.1039/d4ee02839b Marianne van der Merwe, Yonghyuk Lee, Romualdus Enggar Wibowo, Tathiana Kokumai, Anna Efimenko, Mauricio D. Arce, Catalina E. Jimenez, Benjamin Howchen, Rosario Suarez Anzorena, Ilaria Lucentini, Carlos Escudero, Götz Schuck, Zdravko Kochovski, Marco Favaro, David E. Starr, Karsten Reuter, Christoph Scheurer, Marcus Bär, Raul Garcia-Diez
Understanding the oxygen evolution reaction (OER) and Ir dissolution mechanisms in amorphous, hydrous iridium oxides (am-hydr-IrOx) is hindered by the reliance on crystalline iridium oxide theoretical models to interpret its behaviour. This study presents a comprehensive investigation of hydrous iridium oxide thin films (HIROFs) as a model for am-hydr-IrOx to elucidate electronic and structural transformations under OER conditions of proton exchange membrane water electrolyzers (PEM-WE). Employing in situ and operando Ir L3-edge X-ray absorption spectroscopy supported by density functional theory calculations, we introduce a novel surface H-terminated nanosheet model that better characterizes the short-range structure of am-hydr-IrOx compared to previous crystalline models, which exhibits elongated Ir–O bond lengths compared to rutile-IrO2. This atomic model unveils the electronic and structural transformations of am-hydr-IrOx, progressing from H-terminated nanosheets to structures with multiple Ir vacancies and shorter bond-lengths at OER potentials. Notably, Ir dissolution emerges as a spontaneous, thermodynamically driven process, initiated at potentials lower than OER activation, which requires a parallel mechanistic framework describing Ir dissolution by Ir defect formation. Moreover, our results provide mechanistic insights into the activity-stability relationship of am-hydr-IrOx by systematically screening the DFT-calculated OER activity of diverse Ir and O chemical environments. This work challenges conventional perceptions of iridium dissolution and OER mechanisms in am-hydr-IrOx, providing an alternative perspective within a dual-mechanistic framework.
中文翻译:
揭示高维非晶含水铱氧化物中析氧反应和 Ir 溶解的机理复杂性
由于依赖结晶氧化铱理论模型来解释其行为,因此无法理解非晶态含水铱氧化物 (am-hydr-IrOx) 中的析氧反应 (OER) 和 Ir 溶解机制。本研究全面研究了含水氧化铱薄膜 (HIOF) 作为 am-hydr-IrOx 的模型,以阐明质子交换膜水电解槽 (PEM-WE) 在 OER 条件下的电子和结构转变。采用由密度泛函理论计算支持的原位和原位 Ir L3 边缘 X 射线吸收光谱,我们引入了一种新的表面 H 封端纳米片模型,与以前的晶体模型相比,该模型更好地表征了 am-hydr-IrOx 的短程结构,与金红石-IrO2 相比,该模型表现出拉长的 Ir-O 键长.该原子模型揭示了 am-hydr-IrOx 的电子和结构转变,从 H 封端纳米片发展到在 OER 电位下具有多个 Ir 空位和更短键长的结构。值得注意的是,Ir 溶解是一个自发的热力学驱动过程,在低于 OER 激活的电位下启动,这需要一个平行的机理框架来描述 Ir 缺陷形成的溶解。此外,通过系统筛选不同 Ir 和 O 化学环境的 DFT 计算的 OER 活性,我们的结果为 am-hydr-IrOx 的活性-稳定性关系提供了机制见解。 这项工作挑战了对 am-hydr-IrOx 中铱溶解和 OER 机制的传统看法,在双重机制框架内提供了另一种视角。
更新日期:2024-11-29
中文翻译:
揭示高维非晶含水铱氧化物中析氧反应和 Ir 溶解的机理复杂性
由于依赖结晶氧化铱理论模型来解释其行为,因此无法理解非晶态含水铱氧化物 (am-hydr-IrOx) 中的析氧反应 (OER) 和 Ir 溶解机制。本研究全面研究了含水氧化铱薄膜 (HIOF) 作为 am-hydr-IrOx 的模型,以阐明质子交换膜水电解槽 (PEM-WE) 在 OER 条件下的电子和结构转变。采用由密度泛函理论计算支持的原位和原位 Ir L3 边缘 X 射线吸收光谱,我们引入了一种新的表面 H 封端纳米片模型,与以前的晶体模型相比,该模型更好地表征了 am-hydr-IrOx 的短程结构,与金红石-IrO2 相比,该模型表现出拉长的 Ir-O 键长.该原子模型揭示了 am-hydr-IrOx 的电子和结构转变,从 H 封端纳米片发展到在 OER 电位下具有多个 Ir 空位和更短键长的结构。值得注意的是,Ir 溶解是一个自发的热力学驱动过程,在低于 OER 激活的电位下启动,这需要一个平行的机理框架来描述 Ir 缺陷形成的溶解。此外,通过系统筛选不同 Ir 和 O 化学环境的 DFT 计算的 OER 活性,我们的结果为 am-hydr-IrOx 的活性-稳定性关系提供了机制见解。 这项工作挑战了对 am-hydr-IrOx 中铱溶解和 OER 机制的传统看法,在双重机制框架内提供了另一种视角。