提高單原子催化劑的催化活性是單原子催化劑在工業(yè)中應(yīng)用的關(guān)鍵,然而單原子催化劑催化性能的調(diào)控仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前單原子催化劑的催化活性有很大的提高空間,特別是對(duì)于多步反應(yīng)(例如二氧化碳還原,氧還原以及堿性氫析出反應(yīng)等)。這種局限性源于單原子位點(diǎn)的簡(jiǎn)單性,其通常僅能夠有效地催化一步反應(yīng)而不是整個(gè)反應(yīng)。盡管最近報(bào)道的雙位點(diǎn)催化劑(雙金屬原子或金屬原子與非金屬原子配位)通過(guò)雙位點(diǎn)間的協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)了催化活性的提高,但這些催化劑中雙催化位點(diǎn)的精確控制制備很難實(shí)現(xiàn)。
單原子Ru/np-MoS2的制備過(guò)程示意圖。
基于上述關(guān)鍵問(wèn)題,譚勇文教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了一種納米多孔MoS2基Ru單原子催化劑用于高效堿性析氫反應(yīng)。在此催化劑中,S空位在制備過(guò)程中原位形成在孤立的Ru單原子周圍,二者的協(xié)同作用可以通過(guò)應(yīng)變調(diào)控策略放大,從而加速堿性析氫反應(yīng)(HER)(圖一)。基于同步輻射光源的X射線吸收光譜(XAS)和X射線光電子能譜(XPS)在原子尺度揭示了單原子Ru催化劑高催化活性的來(lái)源(圖二),表明多孔結(jié)構(gòu)彎曲曲率所誘導(dǎo)的應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致基底MoS2中Mo原子之間的徑向距離增加,從而改變催化劑的原子排列。具有應(yīng)變的Ru/np-MoS2表現(xiàn)出了最高的催化活性,這證明了應(yīng)變對(duì)于Ru/ np-MoS2活性結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用。
單原子Ru/np-MoS2催化劑的原位機(jī)理研究。
此外,譚勇文教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種自活化的策略將修飾物種(Ni)的尺寸降低到原子層次,最大化催化劑中貴金屬原子的利用率(圖三)。得益于此,制備出的原子級(jí)Ni摻雜納米多孔Ir催化劑具有優(yōu)越的HER催化活性,優(yōu)于目前報(bào)道的最先進(jìn)的催化劑和市售催化劑(Pt/C和Ir/C)。進(jìn)一步的原位XAS和密度泛函理論計(jì)算(DFT)表明,原子級(jí)的Ni位點(diǎn)不僅在實(shí)際反應(yīng)條件下作為水裂解的高活性位點(diǎn),同時(shí)能調(diào)節(jié)Ir位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu),從而降低了H-H耦合的能壘。國(guó)際知名材料期刊《ACS Nano》于近期在線發(fā)表了譚勇文教授團(tuán)隊(duì)題為“Self-Activated Catalytic Sites on Nanoporous Dilute Alloy for High-Efficiency Electrochemical Hydrogen Evolution”的納米多孔單原子合金領(lǐng)域研究成果。碩士研究生余雅倩,博士研究生蔣康為該論文的共同第一作者。
納米多孔單原子合金的制備過(guò)程示意圖。
上述研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省杰出青年基金、中央高?;A(chǔ)研究基金和湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)項(xiàng)目的資助。
上述論文的鏈接為:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21956-0
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10885
參考資料
[1] 譚勇文教授團(tuán)隊(duì)在納米多孔金屬基催化材料領(lǐng)域獲得新進(jìn)展http://news.hnu.edu.cn/info/1102/25378.htm
聲明:化學(xué)加刊發(fā)或者轉(zhuǎn)載此文只是出于傳遞、分享更多信息之目的,并不意味認(rèn)同其觀點(diǎn)或證實(shí)其描述。若有來(lái)源標(biāo)注錯(cuò)誤或侵犯了您的合法權(quán)益,請(qǐng)作者持權(quán)屬證明與本網(wǎng)聯(lián)系,我們將及時(shí)更正、刪除,謝謝。 電話:18676881059,郵箱:gongjian@huaxuejia.cn