李軒科&張琴AFM鎳活化過渡金屬碳化物用於酸鹼性溶液高效析氫

2020-09-03 學研天地

01研究背景

環境友好和高熱值的氫能被認為是化石能源的理想替代品。為了實現有效的氫轉化，開發高效率和長期穩定的電解水析氫反應（HER）催化劑迫在眉睫。目前，Pt被認為是最優的HER催化劑，但昂貴的成本限制了其廣泛應用。在眾多非貴過渡金屬（例如：Ni、V、Mo、Fe、Cr和W）及其化合物中，過渡金屬碳化物 (TMCs) 因其具有類似貴金屬Pt的電子結構和催化特性而備受關注。但是，TMCs表面的氫結合能（∆GH*）負值較大，Hads脫附受到限制，需要進一步優化其電子結構。

圖1. Ni活化TMC的合成示意圖。

02成果簡介

近日，武漢科技大學李軒科教授課題組在國際頂級期刊Advance Energy Materials (影響因子：25.245) 上發表研究論文，通過引入吸附Ni在TMC表面（M ＝ V，Fe，Cr和Mo）顯著增加了催化劑的活性位點數量和本徵催化活性。這一普適性的Ni活化策略使得催化劑在酸鹼性環境中都表現出優異的電催化性能和穩定性：在10 mA cm-2時，Ni-GF/VC和Ni-GF/Fe3C催化劑在1 M KOH中的過電勢分別為128和93 mV，在0.5 M H2SO4中的過電勢分別為111和112 mV。即使在150 mA cm-2時，它們在鹼性溶液中的過電勢也分別低至270和291 mV, 可以媲美Pt/C催化劑。通過密度泛函理論計算和X射線吸收精細結構分析，這種Ni原子以團簇的形式吸附於TMC的C位點，有效地優化了TMC的d帶電子結構、顯著降低了Volmer和Heyrovsky過程的能壘。

圖2. Ni-GF/VC的XRD、XPS、XAFS表徵。

圖3. Ni-GF/VC的DFT計算結果。

論文第一作者為湖南大學博士研究生楊晨帆，通訊作者為武漢科技大學李軒科教授、德國錫根大學楊年俊博士和武漢科技大學張琴副教授。

Ni activated Transition Metal Carbides for Efficient Hydrogen Evolution in Acidic and Alkaline Solutions

Chenfan Yang, Rong Zhao, Hui Xiang, Jing Wu, Wenda Zhong, Wenlong Li, Qin Zhang*, Nianjun Yang* and Xuanke Li*

Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202002260

03

通訊作者簡介

李軒科：博士、教授，博導，楚天學者，湖北省有突出貢獻的中青年專家，SCI源期刊《新型碳材料》編委，中國電工學會碳石墨材料專業委員會委員，主要從事新型炭材料的研究。主持完成和承擔國家自然科學基金重點項目1項、面上項目4項，湖北省自然科學基金重點項目、教育部重點項目和軍工項目等多項。發表論文160餘篇，其中SCI收錄60餘篇，其中工程材料一區雜誌論文18篇，授權專利20項。2007年獲湖北省自然科學二等獎1項。

楊年俊：博士，德國錫根大學納米材料課題組組長，主要致力於各種碳材料的化學氣相合成及其在電化學等領域的基礎與應用研究。近些年在Chem. Soc. Rev .、Energy Environ .Sci.， Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.、Appl. Catalysis B、Small等志上發表論文140多篇；出版系列叢書1部、專著4部、撰寫書章節9次。多次在國際大會做邀請報告、擔任雜誌Small、Nanoscale、ACS Appl. Mater. Interfaces、Carbon等多種雜誌的客座主編、任Dia Relat. Mater等雜誌的編委；是歐洲材料年會（E-MRS）分會主席、Hasselt金剛石研討會及金剛石及碳材料國際會議的委員會成員；組織主持召開國際會議10多次。

張琴：博士、副教授，楚天學子，2018年於武漢大學取得博士學位，2018年7月起就職於武漢科技大學。主要從事二維材料的可控制備、改性及其在能源存儲和轉換中的應用，近五年圍繞新型層狀材料的構建及其在儲能領域的研究已在Chem、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.等國際權威雜誌發表論文發表SCI論文17篇，多次參加國內外學術會議，並作為骨幹成員參與國家項目2項。

相關焦點

  • 李軒科&張琴AFM鎳活化過渡金屬碳化物用於酸鹼性溶液高效析氫
    為了實現有效的氫轉化，開發高效率和長期穩定的電解水析氫反應（HER）催化劑迫在眉睫。目前，Pt被認為是最優的HER催化劑，但昂貴的成本限制了其廣泛應用。在眾多非貴過渡金屬（例如：Ni、V、Mo、Fe、Cr和W）及其化合物中，過渡金屬碳化物(TMCs) 因其具有類似貴金屬Pt的電子結構和催化特性而備受關注。
  • 湖南大學在過渡金屬碳化物電催化水分解研究方面取得進展
    為了實現有效的氫轉化，開發高效率和長期穩定的電解水析氫反應（HER）催化劑迫在眉睫。目前，Pt被認為是最優的HER催化劑，但昂貴的成本限制了其廣泛應用。在眾多非貴過渡金屬（例如：Ni、V、Mo、Fe、Cr和W）及其化合物中，過渡金屬碳化物(TMCs)因其具有類似貴金屬Pt的電子結構和催化特性而備受關注。但是，TMCs表面的氫結合能（∆GH *）負值較大，Hads脫附受到限制，需要進一步優化其電子結構。
  • 湖南大學頂刊論文：鹼性、酸性條件下都能高效析氫的策略
    導讀：本文通過在過渡金屬碳化物（TMC）表面引入吸附的鎳原子（Ni/TMC）來活化TMC (M = V、Fe、Cr和Mo)。在酸性和鹼性溶液中，活化後的Ni/TMC催化劑的HER過電位和塔菲爾斜率都急劇下降。這項工作提供了一個通用普適的方法來激活TMC，使其在不同的溶液條件下具有出高效的HER性能。
  • 湖南大學頂刊論文:鹼性、酸性條件下都能高效析氫的策略
    導讀：本文通過在過渡金屬碳化物（TMC）表面引入吸附的鎳原子（Ni/TMC）來活化TMC (M = V、Fe、Cr和Mo)。在酸性和鹼性溶液中，活化後的Ni/TMC催化劑的HER過電位和塔菲爾斜率都急劇下降。
  • 華南理工崔志明：組分可調控的鎳基反鈣鈦礦氮化物高效析氫催化劑
    DFT計算表明，經過對催化劑中A位金屬的部分取代，可降低水解離過程的能壘、優化氫吸附吉布斯自由能，從而提高電催化析氫活性。背景介紹利用風能等間歇性能源發電產生的電能來電解水製備氫氣，是一種綠色環保的制氫技術。而要實現大規模電解水製備氫氣，則需要開發廉價、良好導電性、高活性和高穩定性的電催化析氫材料。
  • 金屬型2H-TaS2的高效析氫
    二維金屬型2H-TaS2的規模製備及其高效氫析出效率
  • 過渡金屬催化的C-H鍵活化簡介
    傳統的過渡態金屬催化的交叉偶聯反應可以非常高效可靠的形成Csp2-Csp2鍵，比如Suzuki，Negishi，Stille，Kumada，Heck反應等。但是傳統的過渡金屬催化的交叉偶聯反應的缺點非常明顯，比如過渡金屬催化劑不可獲得性，價格比較昂貴；反應的副產物金屬鹽對環境的不利；需要轉金屬這一步驟將芳烴連接到金屬上等等。
  • 「原位合成」製備雙金屬碳化物基自支撐、柔性催化劑用於析氫反應
    因此開發具有高活性的非貴金屬HER電催化劑對未來的能源需求具有重要的意義。研究出發點過渡金屬碳化物（TMC），尤其是碳化鉬（MoxC），憑藉其類似貴金屬的電子構型，高電子電導率和適中的H吸附能力而成為目前研究熱點。
  • 高活性析氫催化劑設計獲進展—新聞—科學網
    研究人員理論計算發現，催化吸附位點（S）與相連接的過渡金屬組成區域活性中心，首次提出區域電負性概念進行催化劑設計，選擇不同過渡金屬原子摻雜MoS2面形成不同局域結構，通過不同TM—S化學鍵特徵調控MoS2基面電荷轉移能力，實現析氫催化活性優化。相關研究成果近日發表於《自然—通訊》，並得到國際審稿人積極評價。
  • 上海矽酸鹽所等在高活性析氫催化劑設計方面獲進展
    設計低成本、高活性析氫催化劑高效制氫是建立氫能源系統的重要組成部分，二維層狀硫屬化合物MoS2具有製備簡單、結構穩定、催化活性可調的優勢，因此被視為非常有潛力的酸性電解水制氫催化劑。然而其高活性位點大部分限定在有限的邊界處（edge），如何實現MoS2面內（Basal Plane）位點活化是推動其實際應用的關鍵。
  • 無金屬也能催化！單磷原子助力高效氫析出
    它可以通過電解水以化學燃料（氫）的形式儲存可再生能源（如太陽能和風能），這種能源可以通過電網輸送到千家萬戶，對環境的影響可以忽略不計。然而，由於驅動反應所需的催化劑目前仍沒有達到工業要求，這種儲能策略的大規模應用遲遲沒有實現。一般，一個電催化劑表面的析氫反應（HER）活性可以用氫鍵的強度來描述。
  • 大連化物所發現過渡金屬對二氧化碳的高效活化機理---中國科學院
    大連化物所發現過渡金屬對二氧化碳的高效活化機理 2021-01-04 大連化學物理研究所 【字體：大 中 小】
  • npj: MoS2-範德華異質結—催化析氫新高度
    2019-04-04 11:09:17　來源: 知社學術圈 舉報 　　為將來基於範德華異質結的析氫反應研究和開發提供新的思路
  • 南開大學AEM綜述:多功能過渡金屬磷化物在能源電催化中的應用
    日益加劇的環境和能源問題給現代社會的發展帶來了巨大的挑戰，因此探索廉價高效的電催化劑以實現高效能源轉化迫在眉睫。過渡金屬磷化物由於具有豐富的活性位點，獨特的物理化學性質，可調的組分結構引起了研究人員的廣泛關注。
  • 光催化全解水:借鑑光合系統II的稀土-過渡金屬簇合物|NSR
    廈門大學孔祥建團隊借鑑植物中光合系統II催化中心的結構，設計了一種四核稀土-過渡金屬簇合物LnCo3(Ln= Nd, Eu, Ce)，將該簇合物錨定在摻磷石墨化氮化碳（PCN）表面，可以在不需要任何犧牲劑的條件下，實現高效的光催化全解水。
  • 二硫化鉬和磷化鉬複合材料高效鹼性析氫
    近日，北京化工大學程道建教授課題組等人設計出了一種二硫化鉬（MoS2）和磷化鉬（MoP）結合的複合材料，其層間界面結構有較高的活性位點，能有效緩解商業化催化劑在鹼性下析氫反應(HER)的不足。該研究成果已被發表在國際著名能源期刊Nano Energy上。
  • 二硫化鉬和磷化鉬複合材料高效鹼性析氫
    近日，北京化工大學程道建教授課題組等人設計出了一種二硫化鉬（MoS2）和磷化鉬（MoP）結合的複合材料，其層間界面結構有較高的活性位點，能有效緩解商業化催化劑在鹼性下析氫反應(HER)的不足。該研究成果已被發表在國際著名能源期刊Nano Energy上。
  • Tungsten期刊:富缺陷二硫化鎢納米片用於高效析氫反應
    由於氫具有可再生、可持續及無碳環保等優點，一直被視為未來清潔能源發展中最有前景的能源之一。電解水制氫是一種可持續、綠色環保的制氫方法，但是在電解水過程往往需要添加催化劑以減緩其反應能耗高的問題。目前，在析氫催化劑中貴金屬鉑活性最高且十分穩定，但是由於價格昂貴，含量稀少，限制了其在電解水制氫領域內的廣泛運用。因此，研究和發展高性能非貴金屬析氫催化劑是當前氫能工業的首要任務。
  • 前沿透視:Nano Letters - 具有面內選擇性切割Mo-S鍵的MoS2助力高效析氫
    具有優先暴露不飽和活性邊緣位點的硫化鉬（MoS2），被認為是析氫反應（HER）的一種優異的電催化劑。然而，MoS2的析氫活性源於其邊界，而其基面呈電化學惰性，這限制了MoS2的HER活性進一步提高。理論計算表明，暴露的內邊緣Mo位點代表了新的氫吸附/解吸中心。正如預期的那樣，合成的c-MoS2-C表現出顯著增強的析氫活性和出色的穩定性。這種基面活化策略可以擴展到其他類型的過渡金屬滷化物和催化反應系統。
  • ...Chemistry | 南開大學周其林&肖力軍:綠色、高效鎳催化不對稱氫...
    南開大學周其林院士課題組使用本組發展的手性螺環胺基膦配體SpiroAP成功實現了鎳催化芳基硼酸對芳基烯烴和1,3-共軛二烯的不對稱氫芳化反應，為手性1,1-二芳基烷烴和手性烯丙基化合物的合成提供了新的方法。