您现在的位置是: > 风声传闻
北工大汪浩团队 ACB:金属边界限域Pt原子构筑实现多重氢催化转化 – 材料牛
2024-12-26 02:37:13【风声传闻】3人已围观
简介 第一作者: 张建华通讯作者:周开岭,李洪义,汪浩 通讯单位: 北京工业大学材料科学与工程学院新型功能材料教育部重点实验室,北京工业大学碳中和未来技术学院论文DOI:1
第一作者: 张建华
通讯作者:周开岭,李洪义,大汪队 多重汪浩
通讯单位: 北京工业大学材料科学与工程学院新型功能材料教育部重点实验室,浩团化转化材北京工业大学碳中和未来技术学院
论文DOI:10.1016/j.apcatb.2024.124393
全文速览:
单原子材料作为催化领域的金界限一个新兴分支,近年来取得了巨大的属边实现发展。然而,域Pt原因金属位点独立分散特性引起的构筑催化位点不足、质量比活度低,氢催严重阻碍了单原子材料的料牛进一步发展和工业化应用。继在单原子材料组分设计(J. Mater. Chem. A,北工 2022, 10, 25692, Adv. Sci. 2021, 2100347; Energy Environ. Sci. 2020, 13, 3082)和电子态调控(Chem. Eng. J., 2023, 454, 140557; Nat. Commun., 2021, 12, 3783)的基础上,该团队采用缺陷诱导的大汪队 多重有序电沉积策略,在Co/Co(OH)2纳米层级结构中构筑出了金属相界限域的浩团化转化材Pt单原子(PtSA-Co@Co-Co(OH)2)。该Pt原子呈现出较大的金界限原子暴露比、较高的属边实现稳定性和金属电子态,在催化水电解制氢过程中,域Pt原能够在保持富电子态的同时,驱动多重H*反应中间体转化,实现H2高效制备,原子活性高达5.92 A mg-1,是商业Pt/C催化剂的37倍。研究成果以“Metal edge confined platinum atoms in metal/hydroxide hierarchy structure for multiple hydrogen conversion and evolution”为题发表在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上,北京工业大学材料学院博士生张建华为第一作者。
背景介绍:
单原子催化剂因其100%的原子利用效率,为多相催化提供了一个理想的平台,在众多关键催化反应中展现出优异的活性和独特的选择性。然而,单分散的金属原子表面能较高,易于团聚。因此,大多数单原子催化剂的金属负载质量低于1.5 wt%,导致催化活性位点不足、质量比活性较低,阻碍了单原子材料的进一步发展和工业化应用。此外,当前大多数单原子催化剂(SACs)的金属原子锚定在载体材料的平面晶格中。然而,平面内原子构型会导致金属原子配位数增加、电子损失率增大,引起金属原子暴露面积减小、原子利用率降低、原子价态升高、还原反应动力学迟缓等问题。因此,如何基于载体材料结构设计和制备手段改性,构筑出具有优异原子构型和电子结构的单原子催化材料,是解决单原子孤立分散特性与高质量活性比之间矛盾的关键。
本文亮点:
(1)采用缺陷诱导有序电沉积策略,在二维Co/Co(OH)2多级结构在中,构筑出了金属Co相边界限域的Pt单原子(PtSA-Co@Co-Co(OH)2),实现了高效的电解水制氢;
(2)受金属Co相边缘约束的Pt原子显示出较大的金属原子暴露比和类金属电子态,使得该Pt原子能够以更适宜的H结合能(DGH*=-0.00068 eV),同时与多个H*结合,实现多重氢还原转化;
(3)将上述构筑的Pt单原子材料集成在银纳米线(Ag NWs)导电网络上,构建出自支撑结构的催化剂电极,实现了催化水电解析氢高达5.92 A mg-1的Pt原子质量活性,是商业Pt/C催化剂的37倍,为高效单原子材料设计提供了新的思路。
图文解析:
利用水热法制备了Ag NWs,并将其涂覆在柔性布料上以形成Ag NWs导电网络。随后,采用多步原位电沉积技术,在Ag NWs导电网络上构筑出了金属边界限域的Pt单原子材料(PtSA-Co@Co-Co(OH)2)。如图1a-d所示,TEM图像表明,PtSA-Co@Co-Co(OH)2主要由层状纳米片结构组成。高分辨率透射电子显微镜(HRTEM,图1e)图像证实了Co(OH)2纳米片表面存在金属Co团簇。图1m中晶面间距约为0.25 nm,对应于Co金属的(100)晶面。放大后的HAADF-STEM图像(图1m)表明,大多数Pt单原子锚定在金属Co纳米簇的边缘,具有较大的原子暴露比。
图1 PtSA-Co@Co-Co(OH)2催化剂微结构表征。
图2利用XPS研究了PtSA-Co@Co-Co(OH)2、PtSA-Co(OH)2和Co-Co(OH)2的电子态演化。PtSA-Co@Co-Co(OH)2的Pt 4f光谱与Pt/C和PtSA-Co(OH)2相比,出现了一定的负位移,说明引入金属Co相后,电子从Co向Pt转移,表明PtSA-Co@Co-Co(OH)2中Pt原子具有较高的电子密度。利用X射线吸收精细结构(XAFS)光谱对所制备催化剂的局部电子结构进行了更详细的研究。可以观察到,PtSA-Co@Co-Co(OH)2中Pt的白线强度低于PtSA-Co(OH)2,证实了PtSA-Co@Co-Co(OH)2中Pt的高的电子密度。且与Co-Co(OH)2相比,PtSA-Co@Co-Co(OH)2中Co 2p能谱的结合能出现了正偏移,证实了金属Co原子向Pt原子发生了电子转移。EXAFS傅立叶变换拟合曲线表明,在2.60 Å处,没有出现Pt foil的典型Pt-Pt键峰,证实了PtSA-Co@Co-Co(OH)2中Pt的单原子分散性。此外,Pt-Co配位数约为1.7,证实了金属Co边缘限域的Pt原子低的配位微环境。这些结果与XPS分析结果一致,表明Pt原子在PtSA-Co@Co-Co(OH)2中固定于金属Co相边缘处可以很好地保留金属性质,有利于加速H*-H2转化动力学。
图2 PtSA-Co@Co-Co(OH)2催化剂原子结构与电子结构表征。
通过理论计算(DFT),进一步揭示了催化剂的电子性质。如图3所示,PtSA-Co@Co-Co(OH)2的d带中心处于适中位置,有利于H*吸附和H2解吸。且PtSA-Co@Co-Co(OH)2和PtSA-Co在EF附近的电子占位率高于PtSA-Co(OH)2,证实了金属Co相边缘锚定的Pt原子具有较高的电子保留率。理论计算进一步表明,通过H*和OH*分别在PtSA-Co和Co/Co(OH)2界面上的优先吸附,能够促进H2O解离,加速碱性电解水的Volmer步骤。此外,金属Co相边缘固定的Pt原子显示出较大的Pt原子暴露比和适宜的H吸附自由能(∆GH*,-0.00068 eV),能够同时促进多重H*转化(2H*+2e-®H2)),从而实现了碱性电解水制氢性能的整体提升。
图3 PtSA-Co@Co-Co(OH)2催化剂在碱性电解水催化过程的理论计算。
如图4所示,通过催化性能测试可知,PtSA-Co@Co-Co(OH)2催化剂在HER中表现出优异的性能,只需要97 mV的低过电位就可以达到100 mA cm-2的高电流密度。这一性能明显优于PtSA-Co(OH)2、PtSA-Co和Pt/C催化剂,表明在碱性介质中,通过在金属Co相边缘构建Pt单原子,能够获得最佳的HER活性。此外,与PtSA-Co(OH)2和PtSA-Co相比,PtSA-Co@Co-Co(OH)2的Tafel斜率更小,为43.03 mV dec-1,验证了PtSA-Co@Co-Co(OH)2在碱性HER中的典型Volmer-heyrovsky机制,与上述理论模拟结果保持一致。在过电位为100 mV时,PtSA-Co@Co-Co(OH)2的Pt质量活性为5.92 A mg-1,比商用Pt/C催化剂高37倍, Pt原子位点的转换频率(TOFs)比Pt/C催化剂高38.88倍,进一步证实通过在金属Co相边缘构建Pt单原子进行多重H*转化和析出,可以显著提高单原子催化剂的质量活性。
图4 PtSA-Co@Co-Co(OH)2催化剂碱性电催化HER性能。
为进一步探究上述催化反应机理,利用原位傅立叶红外光谱仪(ATR-FTIR),探究了PtSA-Co@Co-Co(OH)2催化反应中的吸附物动态演变。如图5a所示,随着电位的增加,PtSA-Co@Co-Co(OH)2的ATR-FTIR光谱在3525 cm-1处吸收带逐渐增强,对应于H3O+中O-H基团的拉伸振动,证实了H2O解离的促进作用。在2017 cm-1处的吸收带也呈现出逐渐增强的趋势,对应于Pt-H的拉伸振动。此外,PtSA-Co@Co-Co(OH)2能够在40小时内保持稳定的H3O+和Pt-H吸收信号(图5b),证实了金属边缘限制的Pt原子在Co/Co(OH)2层级结构中的稳定原子结构,上述催化反应机制通过准原位XPS分析也可以得到证实(图5c-e)。
图5 基于原位/准原位测试表征手段的机理分析。
总结与展望:
本文报道了一种由Co/Co(OH)2层次结构金属相边界限域的Pt单原子催化剂(PtSA-Co@Co-Co(OH)2)。实验测试表明,在100 mA cm-2的电流密度下,所设计的催化剂具有较高的碱性HER性能,过电位为97 mV时,质量活性达到5.92 A cm-2,是商业Pt/C催化剂的37倍。原位/非原位实验表征和理论计算表明,PtSA-Co@Co-Co(OH)2具有较强的H2O吸附能力和解离能力,其中,H*在PtSA-Co金属表面的优先吸附和Co/Co(OH)2界面对OH*的优先亲和性,促进了H2O的解离(Volmer步骤)。更重要的是,通过将Pt原子锚定在金属Co边缘,能够获得更大的Pt原子暴露比和更高的电子占据态,使得该Pt单原子能够以更适宜的亲和能同时结合多个H原子,促进多重H*-H2转化和H2的脱附。该金属相边界协同的单原子催化剂有助于解决传统单原子材料所面临的单分散特征与高质量活性间不兼容的问题。
文献信息:
Jianhua Zhang, JianYu Cai, Kai-Ling Zhou,* Hong-Yi Li,* Jingbing Liu, Yuhong Jin, and Hao Wang,* Metal edge confined platinum atoms in metal/hydroxide hierarchy structure for multiple hydrogen conversion and evolution, Applied Catalysis B: Environment and Energy 358 (2024) 124393.
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124393
课题组介绍
汪浩:北京工业大学教授,博士生导师。长期从事锂离子电池、金属-空气电池、电致变色材料与器件、电催化等方面的研究。以通讯作者在化学、材料领域国际知名期刊Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Nano Energy,Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Energy Storage Mater., Mater. Horiz., Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A, Small等上面发表SCI论文100余篇,SCI引用5000余次,获得中国发明专利60余项。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科委计划项目、北京市教委科技计划重点项目、JKW装备预研项目、国家电网公司科技计划等项目。以第一完成人获2008年北京市科技进步三等奖。
周开岭:北京工业大学校聘教授,博士生导师,入选2023-2025年度北京市青年人才托举工程,获2022年北京市优秀博士论文,2022年中国硅酸盐学会优秀博士学位论文提名等。目前主要围绕氢能关键材料与技术展开相关研究工作,主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、北京市博后基金、企事业委托项目等。以第一作者和通讯作者身份在Nature Communications、Energy & Environmental Science、Appl. Catal. B Environ.Energy等国际一流刊物上发表SCI论文30余篇;总引用次数超过1500余次,2篇入选 ESI前1%高被引论文。
李洪义:北京工业大学教授,博士生导师,2013年入选北京市“青年拔尖人才”培养计划,2014年入选北京市“高创计划”青年拔尖人才,2016年入选了北京工业大学“青年百人”人才计划。2013年1月-2014年1月公派赴麻省理工学院进行访问研究1年,主要从事原位透射电镜观察一维纳米材料充放电过程中材料微观结构变化规律及其储锂机制。在Nano Research、Nanoscale、Biomaterials、ACS Appl. Mater. Inter.等期刊上发表SCI收录论文80余篇,引用1000余次。主持国家自然科学基金2项,北京市自然科学基金重点项目在内的省部级以上课题8项;作为骨干人员,参与国家重点研发计划、863计划、北京市创新团队等项目10余项。
很赞哦!(97518)
上一篇: 树模性分说式风电的斥天开辟
热门文章
站长推荐
友情链接
- 重庆邮电小大教&新减坡下功能合计钻研院 Nano Letters:经由历程嵌进金属簿本铝告竣硼烯仄里内热导率三倍提降 – 质料牛
- Adv. Funct. Mater.报道:钝化新用途!铁电散开物钝化InSb纳米片概况哺育下功能黑中光电探测器 – 质料牛
- 上海交通小大教顾剑锋团队最新收现专利及相闭研分割文:下强高温舰船用钢的韧化机理与操做 – 质料牛
- 韩国下丽小大教ACS Nano: 用于Na
- 马里兰小大教王秋去世&范建林AM:无枝晶固态电解量的设念 – 质料牛
- 唐本忠院士团队深圳小大教AIE钻研中间王东副教授&北边科技小大教李凯副教授 AFM:公平设念两性离子AIEgens用于NIR
- 卢天健、韩宾教授团队《Int. Mater. Rev.》综述:约束效应增强陶瓷质料力教及抗弹功能 – 质料牛
- 十月nature science 汇总 国内斩获5篇 – 质料牛
- 喷香香港小大教Advanced Materials:操做有机半导体单份子层单晶真现超低干戈电阻 – 质料牛
- 超燃,那三个月国内通讯做者宣告Nature、Science 9篇! – 质料牛
- 最新Nature:无金属光迷惑烷烃C(sp3)
- 汪国秀教授Nat. Co妹妹un. : 操做卵黑量免疫机制抑制锂枝晶睁开 – 质料牛
- 翟天助战周兴团队 Adv. Funct. Mater.:基于下里内各背异性2D PdSe2的与背抉择性偏偏振光探测 – 质料牛
- ACS Nano:具备界里渗透性的齐水性液晶纳米纤维素乳液 – 质料牛
- 远期Nature/Science钙钛矿太阳能电池文章小大盘面! – 质料牛
- 湖北小大教AEM:有机正极质料助力碱金属离子电池 – 质料牛
- 西安交通小大教Nature Co妹妹unications:家养智能辅助簿本模拟清晰固态氢的配合凝聚动做 – 质料牛
- 厦小大&北小大最新Nature:概况配位层钝化铜氧化历程 – 质料牛
- 小大工侯军刚Nature Co妹妹un:概况重构修筑下活性同量结分解水电催化剂 – 质料牛
- 喷香香港中文小大教Nature Co妹妹un.:一种具备普适性的的本位群散图案化质料的格式 – 质料牛
- 北京财富小大教黄维院士团队Research:基于一步协同睁开钙钛矿的下效太阳能电池 – 质料牛
- 影响果子翻倍飙降的三小大国产期刊,正正在小大步迈背一区top的路上,让国中钻研职员侧目 – 质料牛
- Adv. Mater.:用于时空疑息处置的氧化物基电解量栅控晶体管 – 质料牛
- 前两天 我劝同伙的孩子教质料 弄科研 – 质料牛
- Angew. Chem. Int. Ed.:两种化教自力“把足”增强PbSe价带支敛战后退热电功能 – 质料牛
- 洛桑联邦理工教院Adv. Funct. Mater. :强韧的单汇散颗粒水凝胶的3D挨印 – 质料牛
- 浙小大Adv. Mater.:制备具备邃罕有序挨算战法式化变形的水凝胶 – 质料牛
- 重磅:英国皇家化教会一天内撤稿10篇国内论文! – 质料牛
- 金属规模突破性仄息:两月2篇Science,6篇Nature战Science子刊 – 质料牛
- 朱好芳院士,俞昊教授团队Advanced Fiber Materials:机械功能可调的沉量,耐温自增强两氧化硅纳米纤维气凝胶 – 质料牛
- 北小大潘锋团队Angew. Chem.:Grotthuss量子传输助力下能量稀度水系电池 – 质料牛
- 斯坦祸小大教崔屹教授Nature Energy:怪异电池挨算设念助力比能量稀度提降16
- 鲍哲楠:人制皮肤将会修正咱们将去的糊心 – 质料牛
- 北小大潘锋AFM:类普鲁士蓝框架质料正在能源存储战转化中的操做 – 质料牛
- 不可是室温超导 那个超导操做名目患上到了泛滥院士不同面赞! – 质料牛
- 隋志军/陈德院士 ACS Catal.:商讨丙烷脱氢Pt催化剂的尺寸依靠性—从簿天职辩到纳米颗粒 – 质料牛
- 金属所任文才团队PNAS:删透异化法同步提降柔性石朱烯透明导电膜的电导与透光率 – 质料牛
- 山东小大教冯金奎副教授AFM综述:浅讲MXene正在电池背极质料中的最新仄息 – 质料牛
- UCLA黄昱教授Matter:调节碳概况的化教性量真现下功能燃料电池 – 质料牛
- 排宿便即是排毒,讲法靠谱吗
- 中科小大姚宏斌Adv. Funct. Mater.:多尺度设念铌钛氧化物背极用于快充锂离子电池 – 质料牛
- 刘明院士等人Adv. Mater.:基于忆阻器的夷易近俗性感应熏染神经系统 – 质料牛
- 北开小大教牛志强教授Angew. Chem. Int. Ed.:本位自觉回本/组拆MXene助力无枝晶水系锌离子电池 – 质料牛
- 杨患上锁&胡登卫AFM综述:压电质料的删材制制 – 质料牛
- 重庆小大教杨进Nano Energy:基于声概况波谐振器(SAWR)的无源无线磨擦电子传感器 – 质料牛
- 北小大潘锋教授Nano Energy:醇类增减剂调控锌离子配位情景抑制金属背极枝晶睁开 – 质料牛
- 西北小大教Nat. Co妹妹un.: 修筑极性中空单锥棱柱形金属硫化物真现下功能室温钠硫电池 – 质料牛
- 弗里堡小大教Christoph Weder Adv. Funct. Mater.:纳米挨算散开物可真现晃动下效的低功耗光子上转换 – 质料牛
- 北工小大Nano Lett.:“纳米启拆”同步真现纳滤膜的纳米挨算修筑战本位功能化 – 质料牛
- 哈工小大热劲松教授团队《Adv. Mater.》综述: 中形影像散开物及复开质料的机理、质料及操做 – 质料牛
- 念上北小大深研院吗?那便去听院少宣讲吧! – 质料牛
- 余桂华团队 Adv. Mater.:超保形战可推伸石朱烯薄膜真现锂金属电池中Li颗粒的可顺群散 – 质料牛
- 哈我滨财富小大教(深圳)黄燕传授课题组Adv. Funct. Mater.:水性金属离子战金属空气电池电极质料的本征挨算建饰 – 质料牛
- 随着顶刊教测试|北科小大Adv. Mater:本位透射电镜掀收液态锂金属背极的成核历程 – 质料牛
- 那个质料屡上Nature Science 可能成为将去电子器件的主宰? – 质料牛
- 陈忠伟Chem.Soc.Rev.综述:最齐的锂电复开固态电解量总结 – 质料牛
- Acc. Chem. Res.综述:DNA
- Joule:非富勒烯有机体相同量结太阳能电池中的自激解离 – 质料牛
- 室温超导最新钻研功能总览,不竭突破,将去可期! – 质料牛
- 述讲回念:天下顶尖科教家教您若何做科研 – 质料牛