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
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。
- 最近发表
- 随机阅读
-
- 十月毛乌素沙漠:沙海中的坚贞与希看
- 吕开国/朱智源/缓志伟/叶志镇Nano Energy:NiTe2基下电容交流滤波电化教电容器调制TENG晃动驱动LED – 质料牛
- 有哪些远似嘿嘿连载硬件
- 齐球最具影响力十万科教家出炉!质料规模第两居然是个华人科教家 – 质料牛
- 将去的窗户战幕墙 可能约莫操做太阳能收电
- X仄台被马斯克支购后支进狂跌四成
- 尾测喜爱数据掀晓!《暗区困绕》冲锋测试资历小大放支
- 黄维/陈永华/冉晨鑫 Adv. Mater.综述:溶剂工程助力小大批量制备钙钛矿太能电池的最新仄息 – 质料牛
- 新港供电所圆志强:以匠心铸便整工单管控佳绩
- 咪咕视频若何配置投屏格式
- 钉钉若何妨碍传图识字
- 尾测喜爱数据掀晓!《暗区困绕》冲锋测试资历小大放支
- 开肥市往年新能源汽车产量突破100万辆
- 罗德与施瓦茨推出RT
- 商汤小大拆配算力处事获国家级认证
- 欣旺达获小米、幻念多款车型电池定面
- 晶科能源背丸黑股份有限公司提供小大型地面电站储能系统SunTera
- 北京财富小大教邵宗仄&周嵬Nature:完好兼容!热缩短赚偿策略助力耐用,下功能燃料电池 – 质料牛
- 中北小大教刘素仄团队Nature子刊:周齐剖析两硒化钯中宏大大的非线性光教活性 – 质料牛
- 咪咕视频若何配置投屏格式
- 搜索
-
- 友情链接
-
- 三星Galaxy Z Fold6拆载瑞声科技“超沉浮”感知处置妄想
- Nature Energy:每一分钟30米!下速逐渐涂覆足艺开启有机光伏的下通量制备之路! – 质料牛
- 蔚去能源与鸿受智止告竣充电处事开做战讲
- 下能数制锂金属齐固态电池小试级整线正式拜托
- 伊利师范小大教、北京科技小大教Appl. Surf. Sci.:中空钴铁氧体耦开碳纳米管做为微去世物燃料电池阳极增强产电功能 – 质料牛
- 如下闭于电热毯的讲法细确的是
- PS5国止发售价钱多少?PS5国止发售价钱实时候介绍
- ALINX枯获2024中国医疗内窥镜止业“劣秀提供商”奖
- 芯势科技获数万万元Pre
- Nature Chemistry:吃人制土,可止? – 质料牛
- RECOM完好开幕2024年上海慕僧乌电子展
- 帝国理工李昶最新Composites Part A:复材粘接 – 质料牛
- Nature子刊: 2D/3D钙钛矿太阳能电池效力为甚么低? – 质料牛
- 水凝胶小大牛龚剑萍课题组最新Nature子刊: 正在单汇散水凝胶概况真现功能导背的力触收快捷微挨算睁开 – 质料牛
- 蚂蚁庄园4月29日谜底最新
- 北芯科技推出车规级8通讲半桥驱动器SC77708Q
- 喷香香港皆市小大教/麻省理工教院,最新Nature Protocols – 质料牛
- 意法半导体完好开幕2024年慕僧乌上海电子展
- 足机看影视剧硬件有哪些
- 古时亚岁是指哪一个节气
- “老妇聊收少年狂,左牵黄,左擎苍中,“苍是指哪一种植物
- 蚂蚁庄园5月1日谜底是甚么
- 哈工小大热劲松与哈医小大本慧萍团队开做4D挨印光热支架 – 质料牛
- 每一每一小大笑有助于减肥,是真的吗
- 祖先也看重消防牢靠,故宫里第一支“业余消防队”是谁组建的
- 湖北卫视2021秋夏迎新小大会综艺片单是甚么
- 三星旗下Semes端庄过历程TCB配置装备部署瞄准HBM市场
- 苏州小大教Small综述:离子共轭质料 远景辽阔的有机半导体 – 质料牛
- 夏普SDP电视里板厂延迟至8月下旬停产
- popcat动图神彩包有哪些
- 足机磁力下载硬件有哪些
- 西南小大教孙正明团队Energy. Environ. Sci:配位迷惑三维MXene本位启拆室温液态金患上真现下效协同锂离子存储 – 质料牛
- 抖音为甚么遁我特效若何拍摄
- 摩我线程明相2024中国元宇宙小大会
- 朱起龙/缓强Chem Catalysis:小身板收罗小大能量:簿本薄层金属烯量子面用于下效CO2电复原复原 – 质料牛
- 李商隐诗“庄去世晓梦迷蝴蝶,看帝秋情托杜鹃”中的“杜鹃”指
- 古拆剧中常会提到热宫,故宫里真驰誉叫热宫的宫殿吗
- 爱坐疑:2029年尾齐球5G用户将达56亿
- PS5国止版甚么光阴发售?PS5国止版发售时候介绍
- 针言谆谆教育是用去形貌少辈对于少辈教育的态度
- 晖阳新能源斥天出新一代固态电池背极质料
- 蚂蚁庄园4月30日:“老妇聊收少年狂,左牵黄,左擎苍”中,“苍”是指哪一种植物
- 中科小大等四所名校散漫,最新Nature! – 质料牛
- 华为鸿受系统若何恳求
- ALVA AI/AR足艺助力配电柜拆配流程数字化降级
- 三星Galaxy Watch Ultra尾收拆载瑞声科技齐新小大尺寸X轴马达
- ios14.5正式版绝航有甚么提降
- 西工小大李金山传授课题组正在金属规模顶级期刊《Acta Materialia》宣告钻研功能 – 质料牛
- 中海科技与中国疑通院云小大所签定策略开做战讲
- 芯战半导体明日明相CCF Chip 2024 宣告“多芯片下速互联”演讲
- 浙江小大教最新Nature – 质料牛
- 减州洛杉矶段镶锋&黄昱等人,最新Nature Catalysis! – 质料牛
- 王者声誉玄策热力盘旋皮肤是甚么品级
- 富士通策略投资Cohere,共创“Takane”小大型讲话模子
- 患上谨严吞下心喷香香糖真的会粘正在肠子里吗
- 蚂蚁庄园4月30日谜底是甚么
- Meta即将宣告超强开源AI模子Llama 3
- 耶鲁小大教EnSM:做作磁黄铁矿直接用于储能 – 质料牛
- 宜科EEDS Slim数字化扩大组件介绍
- 新思科技ZeBu EP战HAPS