吉林大学又登Nature!单原子Co阵列电催化析氢研究取得新进展

今天要给大家介绍的是最新发表在Nat. Commun.上面的一篇关于合成金属单原子材料阵列催化剂新方法的论文,标题为Single-atom cobalt arraybound to distorted 1T MoS2 with ensemble effect for hydrogenevolution catalysis,。

本文特邀吉林大学崔小强教授课题组、北京大学郭少军课题组和吉林大学郑伟涛课题组进行分享,希望能够对大家有所启发!

近年单原子催化异军突起,为材料领域注入了新活力。单原子尺度分散所产生的量子尺寸效应、不饱和配位环境和金属-载体相互作用,赋予了单原子催化剂更高的催化活性。

然而单原子具有显著提高的表面自由能,这种极高的表面能导致制备和催化过程中原子聚集和催化活性位点的减少,严重制约了单原子催化剂的实际发展与应用。

本研究表明,利用单原子和载体材料之间的强相互作用可以获得在二维材料表面分散均匀的单原子催化剂。这样不仅能抑制单原子的团聚,还能改变其电子结构从而提高整体的催化性能。

单原子催化剂(Single-atom catalyst, SAC)不同于纳米催化剂和亚纳米催化剂,因为当粒子分散度达到单原子尺寸时,引起很多新的特性,如急剧增大的表面自由能、量子尺寸效应、不饱和配位环境和金属⁃载体的相互作用等。

正是这些与纳米或亚纳米级粒子显著不同的特性,赋予了单原子催化剂优越的催化性能。单原子催化剂在保证极地的金属负载量的同时极大地提高了金属原子的利用效率;能够改变催化剂上活性组分对不同分子的吸附/脱附选择性,从而影响反应动力学。

单原子催化剂开发中的最大挑战为其低金属原子负载密度,不可控制聚合及金属原子与载体间模糊的相互作用关系,从而难以有效增强其催化性能。

因此,需要探索新方法合成制备新型单原子催化剂,更大范围地研究SAC的新颖物理和化学性质,并探索其可能应用。有鉴于此,该工作报导了一种新型单原子催化材料制备策略(assembly/leaching),实现了高负载量金属单原子催化材料的制备。

该研究成功制备了一种新型界面催化剂,这一催化剂由Distorted1T MoS2纳米片与金属单原子Co之间共价结合组成(SA Co-D 1T MoS2)。

组装过程中在Co与MoS2之间的晶格失配及Co-S之间形成强共价键的共同作用下,首次观察到作为单原子催化剂载体的MoS2会发生由2H向Distorted1T相的转变,该现象进一步阐释了金属单原子与载体之间的相互作用关系,这一关系对于高负载量单原子催化剂的设计至关重要。

研究工作所制备的SA Co-D 1T MoS2在酸性电解液中具有类Pt的HER活性,且具有优异的长程、循环及化学稳定性。

活性位点阻断实验与密度泛函理论(DFT) 共同表明,优异催化性能的产生是通过Co原子和D-1TMoS2载体的S协同作用,进而对界面处氢的键合方式进行调节。

这一优异的HER活性证明SACo-D 1T MoS2在可再生能源、光催化和实际环境净化等方面的潜在广阔应用前景。

图文解析

A. 通过组装/刻蚀法制备SA Co-D 1T MoS2结构,并对金属单原子进行相关表征。

Fig. 1 Schematic illustration of synthetic method for

SA Co-D 1T MoS2and its characterization.

B. SA Co-D 1T MoS2材料制备过程中负载的相变表征及相变机理研究。

Fig. 2 Characterizationtechniques and DFT calculation for

the phase transformation of MoS2.

C. 电催化HER活性及稳定性研究。

Fig. 3 HER performance of SA Co-D 1T MoS2.

D. 电催化HER催化增强机理及金属单原子与负载间ensembleeffect研究。

Fig. 4 Theoreticalcalculation of SA Co-D 1T MoS2 for HER.

本文提出了一种合成制备金属单原子催化剂的新方法,组装/刻蚀的化学合成手段重现性高且可大量制备,拓展了金属单原子催化剂的合成制备方法,同时进一步阐明了金属单原子与负载之间的相互作用关系。

金属单原子与负载之间的ensembleeffect可以通过改变氢在催化剂表面的成键方式进而显著提升其的析氢性能,预示该新型单原子材料在可再生能源生产,光催化和实际环境净化等方面的潜在广阔应用前景。

该论文第一作者为吉林大学材料科学与工程学院祁琨博士,通讯作者为崔小强教授、郭少军教授(北京大学)、郑伟涛教授。该工作是吉林大学与北京大学科研团队同中国科学院物理研究所、中国科学院高能物理研究所、中国科学院上海应用物理研究所以及布鲁克海文国家实验室的共同合作下完成。

本工作得到了科技部重点专项、国家杰出青年基金、教育部长江学者奖励计划、中组部青年千人计划、国家优秀青年基金和吉林省长白山学者特聘教授等基金的资助。

课题组简介

崔小强

吉林大学材料科学与工程学院副院长、教授兼博士生导师,吉林省长白山学者特聘教授,教育部新世纪优秀人才,长春市第六批、第七批突出贡献专家。

研究团队开展面向能源和生物传感的新型纳米材料研究,探索低维纳米材料表界面性质调控对催化性能的影响规律,从事纳米材料理论设计、合成表征及性能测试,解决新能源领域水制氢、氮气还原、二氧化碳固定和生物检测等国际前沿领域中的低维材料基础和应用问题。

目前已发表 SCI论文120余篇,其中包括NatureCommun. (3 篇)、NanoLett. (1篇)、ACSEnergy Lett. (1篇)、ACSCatal. (1篇)、 Appl. Catal. B Environ. (1篇)、Adv. Funct. Mater. (2篇)、J.Mater. Chem. A (2篇)。他引 3500 余次,H 因子34(Google Scholar统计);申请发明专利17 项,已授权 10 项。

担任国家重点研发计划课题负责人,承担科技部、教育部、国家自然科学委、吉林大学、吉林省、企业横向课题等项目。

郭少军

北京大学材料科学与工程系,研究员、博士生导师。

郭少军教授研究团队主要研究方向为胶体纳米晶合成方法学及自组装;二维材料化学与物理;纳米电化学与电分析化学;燃料电池、锂离子电池、超级电容器、光催化和人工光合成;红外量子点多激子体效应太阳能电池;钙钛矿纳米晶材料及其光电应用;超快光谱;纳米传感器和DNA传感器;多功能纳米材料。

在Science, NatureCommun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., ACSNano等国内外知名期刊上发表多篇高水平论文。

曾获全球高被引科学家(2014-2017连续四年入选)、国际电化学会应用电化学奖(2016)、爱思唯尔中国高被引学者(2017)、中国电化学会青年科学家奖(2017)、中国青年分析化学家奖(2018)、国家青年千人、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室奥本海默杰出学者和中国科学院百篇优秀博士论文等。

在国际会议作主题/特邀报告20余次。

郑伟涛

吉林大学材料科学与工程学院教授、博士生导师、副校长,2004年获批教育部“长江学者”特聘教授和国家“新世纪百千万人才工程”国家级人选,2005年获国家杰出青年基金。

主要从事超硬薄膜材料、功能薄膜材料、石墨烯等碳纳米材料、储能电极材料及材料计算与模拟等研究,先后承担国家863、国家基金委重点项目、科技部重大仪器专项等科研10余项,获得吉林省科技进步奖一等奖(2008年)、吉林省自然科学奖一等奖各1项(2016年)(均为第一完成人),获得中国发明专利10余项。

在NatureCommun、Angew Chem Int Ed、AdvEnergy Mater、Nano Lett等国际一流期刊发表SCI收录论文500余篇,SCI他引10000余次。

著有《薄膜材料与薄膜技术》等。任国际衍射数据中心(ICDD)委员,中国晶体学会副理事长,中国材料研究学会常务理事,《Appl Surf Sci》、《Vacuum》期刊编委。

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