Small:通过调控双金属合金的d带中心位置优化OER催化性能

电解水反应在清洁能源制备中具有重要的意义。然而,析氧反应(OER)却因其复杂的四电子过程所致的缓慢动力学特征成为制约电解水反应整体效率的瓶颈。长久以来,IrO2和RuO2等催化剂被认为是OER最活跃的催化剂,但它们的稀有性和高成本阻碍了它们的进一步实际应用。在众多可替代材料中,由地球储量丰富的过渡金属(例如,Fe,Co,Ni,Mn和Cu)和具有出色稳定性的氮掺杂碳质材料组成的复合材料被视为一类有前途的析氧催化剂,这是由于过渡金属独特的d电子轨道以及与氮掺杂碳质材料之间可能存在的过渡金属-氮/碳化学键。然而,其电催化活性仍然不理想。通常,催化位点上合适的反应物吸脱附能力以及多的活性组分数量是制备高活性OER催化剂的关键。通过合理设计优化催化剂的结构与组分,进而调控活性位点的暴露与富集,并优化材料电子结构,是有效的手段之一。

陕西科技大学材料学院李军奇教授及其博士研究生宋倩茜等人报道了一种三聚氰胺桥连自构筑策略,利用三聚氰胺中的吡啶氮及-NH2官能团特性,将钴基双金属纳米粒子原位嵌入到氮掺杂多孔碳球(CoM-e-PNC,M= Fe, Ni,Mn和Cu)体相中,通过调控双金属组分优化d带电子结构。值得注意的是,嵌入的钴基双金属纳米粒子不仅拓展了碳球体相的可利用空间,增加了活性位点的富集和暴露,同时还形成稳定的钴-氮化学键,为双金属组分的调控提供可能。研究人员进一步将钴与其他过渡金属合金化,发现两种过渡金属之间的相互作用可以有效调节d带电子的填充,从而改善CoM双金属表面与析氧反应中间体的结合强度,诱导反应物中OH ads吸附与O2解吸之间的最佳平衡。同时,发现d带中心位置与OER活性之间的关系呈现火山型曲线规律,其中CoNi-e-PNC催化剂在碱性介质中表现出最佳的OER性能。该研究成果以“Enhanced Electrocatalytic Performance through Body Enrichment of Co-Based Bimetallic Nanoparticles In Situ Embedded Porous N-Doped Carbon Spheres”为题发表在期刊Small (DOI: 10.1002/smll.201903395)上,并于当期The Front Cover 做简要介绍。