Advanced Functional Materials: Ru−N(O)−C界面配位化学调控实现高效碱性析氢反应

构筑富含高活性界面的异质结构是开发高性能电催化剂的有效方法。虽然单原子催化剂是研究界面化学及构效关系的理想模型,但其界面化学结构单一,往往不利于催化包含多个基元反应或多种中间物的复杂反应体系。功能性载体材料负载的金属(亚)纳米颗粒催化剂同时拥有氧化态(界面/近界面)和金属态(表面)原子位点,可提供至少两种活性位点用于不同中间反应物的吸附,有助激发协同效应,优化反应路径,提高反应动力学。

对于负载型异质结构电催化剂而言,金属−载体界面配位化学结构对其电催化性能至关重要。然而,在原子尺度调控异质结构的界面化学极具挑战性。浙江大学孙文平研究员等设计了一种富含Ru−N(O)−C配位结构的功能化碳纳米片负载的钌纳米簇/纳米颗粒异质结构电催化剂(Ru/NC),用于催化碱性析氢反应(HER)。研究人员表征了一系列Ru/NC的表界面化学结构和电化学性能,发现其碱性HER催化活性因Ru−N(O)−C界面配位结构的不同而大相径庭。

如图1a所示,研究人员首先通过简单的液相法在室温(RT))下合成了Ru/NC-RT,紧接着在氩气气氛中在不同温度对其进行退火处理,分别得到Ru/NC-200,Ru/NC-300和Ru/NC-400一系列异质结构材料(图1b-d)。研究发现,Ru/NC-RT中呈纳米簇形态均匀分散的Ru原子处于高氧化态,其催化碱性HER的活性非常低;随着退火处理温度的升高,Ru/NC的碱性HER的电催化活性显著提高(图1e-h)。特别的,Ru/NC-400表现出最优异的本征催化活性,其转换频率(TOF)远高于Pt/C和Ru/NC-RT(图1h)。研究人员结合X射线吸收精细结构谱和电化学测试技术,首次将上述材料的配位化学参数与其电化学反应动力学参数进行定量关联,直观地给出了材料的构效关系(图1i)。研究表明,Ru/NC-400优异的碱性HER催化性能得益于其优化的Ru−N(O)−C界面配位结构。如图1j所示,界面处高氧化态Ru位点有利于水分子的亲核进攻,促进H2O的裂解;远离界面的Ru位点的电子密度高,有利于质子的吸附和H2的产生。本研究表明负载型金属亚纳米结构(团簇)催化剂在电催化和电合成领域应用潜力巨大,其可控制备、界面调控、结构演化及构效关系等亟需深入系统研究。

图1. a) 合成Ru/NC电催化剂的示意图;b) Ru/NC-400的透射电镜图;c, d)Ru/NC-400的高分辨HAADF-STEM图(c),以及图(c)中Ru纳米颗粒的快速傅里叶变换(FFT)图(d);e, f)一系列Ru/NC电催化剂及参比样的X射线吸收精细结构谱图;g, h)Ru/NC的碱性HER电化学性能;i) Ru/NC的配位化学参数与其碱性HER活性关联图;j)Ru/NC-400电催化剂碱性HER反应机理示意图。

通信作者简介

孙文平(https://person.zju.edu.cn/wenpingsun),浙江大学材料科学与工程学院研究员,博士生导师,入选国家和浙江省人才计划以及浙江大学“百人计划”。分别于2008年和2013年在中国科学技术大学材料科学与工程系获学士和博士学位。长期从事电化学能源器件及关键材料的研究,在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett.等期刊以通讯作者或第一作者发表论文80余篇。

招聘

因项目研究工作需要,拟招聘燃料电池与电解池(聚合物和固体氧化物)、电催化与电合成、全固态电池等研究方向博士后2-3名。工资及福利待遇按浙江大学博士后相关规定执行,一人一议,请发送个人简历及代表性论文至wenpingsun@zju.edu.cn。

论文信息:

Manipulating the Coordination Chemistry of RuN(O)C Moieties for Fast Alkaline Hydrogen Evolution Kinetics

Mengmeng Lao, Guoqiang Zhao, Peng Li, Tianyi Ma, Yinzhu Jiang, Hongge Pan, Shi Xue Dou, Wenping Sun*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202100698

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202100698