近日,中國科學院大連化學物理研究所納米反應器與反應工程學創新特區研究組(05T7組)劉健研究員團隊與大連理工大學周思研究員、天津大學教授梁驥團隊,通過單原子催化劑改性碳載體的策略,增强載體與其上負載金屬粒子間的相互作用,構築了鈷單原子催化劑摻雜碳載金屬釕(Ru)納米反應器,實現了電催化析氫反應中綠氫的高效製備,為碳載金屬納米催化劑效能的調控提供了新思路。
碳載體具有比表面積高、孔結構豐富、穩定性强、導電性好等優勢,被廣泛用於電催化領域。然而,碳載體的惰性表面導致其與負載的金屬納米粒子間的相互作用力過弱,難以有效調控金屬納米粒子的電子結構和催化活性,抑制團聚的能力也較差。
針對這些問題,研究團隊提出利用單原子摻雜調節碳載體π共軛結構以增强其與金屬納米粒子間相互作用的策略。團隊利用鐵鈷鎳等金屬單原子摻雜含氧石墨烯,並以其作為載體負載金屬Ru納米粒子,構築了包含金屬單原子、碳基底和Ru納米粒子的複合納米反應器。理論計算表明,金屬單原子的修飾可實現含氧石墨烯表面電荷的重新分佈,使單原子周邊碳原子呈缺電子狀態,顯著增强了負載Ru納米顆粒至碳載體的電子轉移能力。以電催化析氫反應(HER)為模型,研究團隊探究了該複合納米反應器中金屬單原子摻雜誘導的Ru納米顆粒介面電荷重新排布對產氫效能的影響。通常,Ru對氫的吸附過强,導致其電催化分解水產氫的活性較低。然而,複合納米反應器中遠離介面的Ru位點有利於水分子的裂解,為析氫反應提供有效的氫源,同時介面處的Ru位點具有適中的氫吸附能力和高析氫活性。該複合納米反應器催化HER反應是現時文獻報導的最高活性之一。該研究不僅開發了高性能析氫電催化劑,還揭示了金屬單原子、碳載體與負載金屬納米顆粒之間的作用機制,實現了不同位點間的遠程協同和催化性能優化,為基於多重活性位點的納米反應器設計和構築提供了新思路。
劉健團隊長期致力於碳載金屬催化劑的研發,實現高活性高穩定性碳載金屬催化劑的精准合成。該團隊構建了蛋黃-蛋殼型Pd&ZnO@carbon、Co-CoOx@N-C、碳載金屬亞微米反應器(Adv. Funct.Mater.,2018;Adv. Sci.,2019),並將金屬納米顆粒選擇定位在中空碳球內部和表面,系統研究納米反應器在液相加氫反應中的空間限域效應(Angew.Chem.Int. Ed.,2020)。此外,構建了Fe-Cu單原子的碳基亞納米反應器,在低電位下實現了高的NH3產率(Adv. Mater.,2020)。
上述工作於近日以題為“Exceptional Electrochemical HER Performance with Enhanced Electron Transfer between Ru Nanoparticles and Single Atoms Dispersed on Carbon Substrate”發表在《德國應用化學》(Angew.Chem.Int. Ed.)上。該工作的第一作者是中國科學院大連化學物理研究所05T7組副研究員蘇盼盼。該工作得到國家自然科學基金、中科院潔淨能源創新研究院合作基金等項目的資助。
文章連結:https://doi.org/10.1002/anie.202103557
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