近日，加拿大魁北克大学/国立科学研究院的孙书会院士团队在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“Ultrafast Synthesis of IrB1.15 Nanocrystals for Efficient Chlorine and Hydrogen Evolution Reactions in Saline Water”的论文，通过超快速焦耳加热技术成功合成了具有有序结构的IrB1.15纳米晶体，并将其应用于酸性盐水中的氯析出反应（CER）和氢析出反应（HER）。研究表明，IrB1.15在10 mA cm?2电流密度下表现出极低的过电位（CER为75 mV，HER为12 mV），并展现了卓越的选择性（Cl2选择性达98.3%）和长期稳定性（连续运行90小时无明显衰减）。密度泛函理论计算和原位拉曼光谱揭示，硼原子的引入通过调控铱的电子结构和吸附性能，显著提升了催化活性和稳定性。该研究不仅证明了IrB1.15在盐水电解中的巨大应用潜力，也为利用硼化物开发新型高效电催化剂提供了新思路。1.氯气与氢气的工业需求：氯气和氢气是现代工业的重要产品，分别在水处理、有机合成、PVC生产和清洁能源领域具有重要地位。盐水电解是一种同时制备氯气和氢气的关键技术，但其效率受限于催化剂的性能。2，现有催化剂的局限性：商业化催化剂如IrO2和Pt/C在氯析出反应（CER）和氢析出反应（HER）中表现出较好的活性，但其高成本和较差的长期稳定性限制了大规模应用。Ru基催化剂在酸性条件下易溶解，影响使用寿命，而Ir基催化剂活性尚需进一步提升。3.金属硼化物的潜力：过渡金属硼化物因其优异的机械、电子和化学性质，成为新型电催化剂的研究热点。然而，针对Ir基硼化物的系统研究仍然稀缺，主要原因在于其制备难度较高和工艺复杂性较大。4.合成技术的创新需求：传统合成技术常需高温、长时间反应，导致催化剂团聚和性能下降。开发高效、可控的合成技术来实现结构均一、性能优越的硼化物催化剂，对于推动其在电催化领域的应用具有重要意义。【研究方法】1.超快速焦耳加热法的应用：通过将氯铱酸铵和硼氢化钠混合均匀，利用焦耳加热技术在900 ℃下加热12秒，快速合成IrB1.15纳米晶体。该方法具有加热速度快、时间短的特点，有效避免了材料团聚和烧结问题，保证了催化剂的分散性和结构完整性。图1. 通过超快速焦耳加热制备了IrB1.15纳米晶体，并通过多种显微和元素分析方法确认了其结构及元素分布2.材料的结构与成分表征：使用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和X射线衍射（XRD）确认晶体结构及晶面特征，通过X射线光电子能谱（XPS）分析化学状态，并通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）结合能量色散X射线（EDS）测定元素的空间分布，验证B原子在Ir晶格中的有序填充。图2. IrB1.15的晶体结构具有有序填充的B原子，XRD和XPS分析表明其晶格稳定且电子结构被优化3.电化学性能测试：通过线性扫描伏安法（LSV）和循环伏安法（CV）测试催化剂在酸性盐水中的CER和HER性能，同时使用电化学阻抗谱（EIS）研究催化剂的电荷转移效率，并通过旋转环盘电极（RRDE）评估Cl2的选择性。4.催化机理研究：结合密度泛函理论（DFT）计算和原位拉曼光谱技术，深入研究B掺杂对Ir电子结构和催化活性的调控作用，包括反应路径分析、吸附能计算及活性中心的动态变化，为催化性能的提升提供理论支持。1.催化性能的提升：IrB1.15在10 mA cm?2电流密度下，CER和HER的过电位分别仅为75 mV和12 mV，优于商业催化剂IrO2和Pt/C，表现出更高的催化活性。此外，HER法拉第效率高于98%，而Cl?选择性达到98.3%，展现了卓越的工业应用潜力。图3. IrB1.15在酸性盐水中表现出优异的CER催化性能，具有低过电位、高选择性和长时间稳定性2.优异的长期稳定性：IrB1.15在2000次循环伏安测试后性能几乎无衰减，在连续90小时的运行中依然保持稳定。测试后通过TEM和XRD表征发现，其晶体结构和形貌未发生明显变化，证明其具有优良的耐久性和抗腐蚀性。图4. IrB1.15在酸性介质中表现出卓越的HER催化活性，优于商业催化剂且具有出色的长期稳定性3.B原子的调控作用：DFT计算和原位拉曼光谱揭示，B原子的掺入优化了Ir的电子结构，显著降低了氢的强吸附，同时提高了对氯的适度吸附能力，使催化剂在CER和HER中的反应路径更接近理想状态。图5. DFT计算和原位拉曼光谱揭示了B原子调控Ir电子结构，从而优化了CER和HER的催化性能4.综合性能领先：综合测试结果表明，IrB1.15在催化性能、选择性和稳定性方面均优于当前主流的Ir和Ru基催化剂，充分证明其在酸性盐水电解领域的技术优势，为工业化应用奠定了基础。【展望】1.合成方法的优化：未来研究可通过调整前驱体比例、反应温度和时间等参数，进一步提高焦耳加热技术的可控性，提升IrB1.15纳米颗粒的均匀性和一致性，从而提高其催化性能。2.材料体系的拓展：探索焦耳加热技术在其他过渡金属硼化物（如RhB、Pd2B）合成中的通用性，为开发多功能、高效催化剂提供可能性，并扩展其应用领域。3.工业化的推进：通过大规模制备工艺的开发，降低材料生产成本，推动IrB1.15催化剂在工业电解制氢和制氯中的实际应用，从而助力清洁能源和绿色化工技术的发展。4.基础研究的深入：结合实验和理论进一步研究B原子掺杂对Ir电子结构的精确调控机制，探索不同B掺杂比例对催化性能的影响，为设计新型高效催化剂提供理论指导，并推动硼化物材料在其他催化领域的创新应用。