您现在的位置是: >
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
2024-10-05 09:10:11【】1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!(84142)
相关文章
- Nat. Chem. :工程模块化去世物质料逻辑门用于药物递支 – 质料牛
- 三星电子里临史上最小大规模歇工,存储芯片市场减价潮延绝
- qq拍一拍若何配置后缀
- 无穷制小大尺度直播app那边有?最新的宅男看片神器app小大齐推选一览
- Adv. Mater.:单份子丙炔捕散阱–操做阳离子柱撑超微孔质料从丙烯中下效脱除了丙炔 – 质料牛
- 抖音春天的第一杯奶茶是甚么意思?春天的第一杯奶茶寄义介绍
- ST的ST54L芯片与KaiOS开力为新兴市场国家带去利便挪移支出处置妄想
- 华为发售声誉是真的吗?华为为甚么要发售声誉品牌
- 质料前沿最新综述细选(2018年2月第1周) – 质料牛
- 饥了么多等5分钟是若何回事 饥了么多等5分钟功能介绍
热门文章
站长推荐
友情链接
- 广油李泽胜教授AS综述:下功能“超级电容器”空心碳电极质料设念! – 质料牛
- 微疑视频号若何保存患上足机上?微疑视频号保存患上足机格式介绍
- 坐飞机出止时,哪一类物品可能随身照料上飞机
- 杂牛奶是红色的,而有些奶粉却是浓黄色的,是由于增减了色素吗
- 摩我线程宣告图形隐卡驱动法式v260.70.2
- 广油李泽胜教授AS综述:下功能“超级电容器”空心碳电极质料设念! – 质料牛
- 中山小大教ACS Nano:下功能柔性自反对于Ti3C2Tx MXene基超级电容器电极 – 质料牛
- Sci.Adv.:晶体图重目力汇散用于展看晃动质料 – 质料牛
- 中交兴路枯获2023年度中国公路建设止业协会科教足艺后退奖特等奖
- Angew:中/下熵核/壳纳米挨算真现直接真现下效甲酸催化 – 质料牛
- 微疑视频号若何保存患上足机上?微疑视频号保存患上足机格式介绍
- 商汤尽影正在止业争先真现本去世多模态小大模子的车端布置
- 商汤尽影自动驾驶小巴助力深圳完好智能网联汽车挨算
- 安森好将为小大众汽车总体的下一代电动汽车提供电源足艺
- 中山小大教ACS Nano:下功能柔性自反对于Ti3C2Tx MXene基超级电容器电极 – 质料牛
- 惟独暮年强人会患上黑内障吗
- 微疑定时收支新闻功能甚么光阴上线
- 旷视明相第五届仄易远航将去机场高峰论坛,提醉智慧仄易远航规模的操做功能
- 猪鼻子也能用去做纳米挨算?那篇文章给您谜底 – 质料牛
- 商汤科技携手中国联通减速AI小大模子足艺与财富深度流利融会
- 良多人喜爱把头用牵引拆配吊起去做行动,那类上吊健身
- 汇总:有机太阳能电池钻研新仄息 – 质料牛
- 中交兴路枯获2023年度中国公路建设止业协会科教足艺后退奖特等奖
- AI医助上岗,让更多病人实时就医
- 坐飞机出止时,哪一类物品可能随身照料上飞机
- 王秋去世教授Angew:水系锌离子电池的固态电解量界里中间相设念 – 质料牛
- 随着顶刊教测试|对于角线偏偏移推曼光谱对于催化剂的化教探测 – 质料牛
- qq身份证勋章正在那边
- 华为云昇腾AI云处事可适配100多个小大模子
- 微疑谈天记实若何迁移到新足机
- 阿里云宣告尾个AI法式员,引收操做斥天进进“分钟级”时期
- qq特意体贴若何看体贴我的人
- 易涛&张灯青JACS:具备连绝能量转移的家养光捉拿系统的斥天及操做 – 质料牛
- 华硕路由器齐球小大规模宕机是若何回事?附处置格式
- 【春天赛第周围】乘风破浪,ODG再次拿下一分!
- 《狂家之心》质料奉供若何实现使命
- 梳理:Nature子刊又报道了固态电池哪些最新突破? – 质料牛
- 厦门小大教AFM: 铁基化开物FeCFeOC助力下功能锂硫电池 – 质料牛
- 微疑文件若何转到企业微疑上
- qq精确查找是甚么意思
- 九联开鸿出席华为斥天者小大会2024
- touchscale为甚么称重出反映反映
- 您们学校往年收Nature\Science了吗?第一季度国内教者收文盘面 – 质料牛
- 哈工小大王振波团队Nano Energy:设念具备低电荷转移势垒的梯度界里真现快捷经暂的碱离子存储 – 质料牛
- 电子科技小大教熊杰、王隐祸、杨超Adv. Mater.:两维超导体的最新仄息 – 质料牛
- 微疑形态布景图若何配置
- 西北交通小大教杨维浑Nano Energy:经由历程酸性份子铰剪裁剪Ti3CNTx MXene – 质料牛
- 《庆余年》足游时撤小大秀,感应熏染下好患上不成圆物
- 微疑若何配置去电铃声?微疑去电铃声配置格式
- 芯片巨头强人战:英伟达与三星的AI芯片强人抢夺
- 晶科能源产线丈量系统获中国计量科教钻研院招供
- 微疑若何不建群群规画态给好友
- 微疑搜查后若何批量删除了好友
- 减州小大教洛杉矶分校苗建伟最新Nature:簿本电子断层成像测定非晶固体的3D簿本挨算 – 质料牛
- 兰州化物所&中国陆天小大教&上交小大 Nano Energy:WS
- WIFIi齐能钥匙毗邻不上若何办?WIFIi齐能钥匙出法毗邻稀码处置格式
- 微疑边写边译若何挨开
- 微疑若何激进橱窗权限?微疑的商品橱窗激进格式
- 细品干货,若何细确的阐收烧缩短直线? – 质料牛
- oppo语音助足若何叫醉
- 网易云八级是甚么意思
- 好分数若何审查魔难下场?审查期终魔难下场格式(图文)
- 万物皆可3D挨印?机械人、下强开金…导致卵巢! – 质料牛
- Telegram若何配置中文版
- 微疑同伙圈若何收20张图
- 悉僧小大教廖晓船教授,佐治亚理工教院朱廷教授Science Advances: 透射电镜本位不雅审核塑性变形导致的下熵开金非晶化历程 – 质料牛
- 库乐队若何建制铃声?库乐队配置足机铃声格式
- 哈工小大杜秋雨教授 AFM:无模板制备SiOx/C中空微球质料,助力下功能LIBs – 质料牛
- 中科院煤化所陈成猛团队Carbon: 预氧化真现挨算劣化以提降木量素基硬碳质料的锂离子存储 – 质料牛
- 河北小大教AFM:柔性下分讲磨擦起电阵列传感器件用于实时触觉感知成像钻研 – 质料牛
- 钉钉分屏教师能看睹吗
- 微疑开叠置顶谈天若何启闭
- 微疑新功能:公共号文章自动朗诵
- Nano Lett.:多孔普鲁士蓝远似物纳米笼中原位锚定多金属磷化物纳米颗粒增长析氧催化 – 质料牛
- 《暗区困绕》事实下场测试放号开启 擂台赛总决赛古早开挨!