...雙功能電催化劑、自組裝金屬聚合物、層狀雙氫氧化物納米片

2021-01-07 騰訊網

01

N2-Zn-B2結構增強ORR性能

Zn基單原子催化劑雖然具有優異的穩定性，其中完全佔據的Zn2+3d104s2電子構型對費託反應沒有活性，但催化活性較差。在此，上海大學張久俊/趙玉峰團隊報導了一種通過構建B，N共配位的Zn-B/N-C催化劑來操縱s-帶的新方法。實驗和理論都證實，獨特的N2-Zn-B2構型至關重要，其中Zn+(3d104s1)可以容納足夠的離域電子，從而為關鍵反應中間體產生合適的結合強度，並促進催化表面和ORR反應物之間的電荷轉移。而在其他過渡金屬對應物（例如M-B/N-C，M = Mn，Fe，Co，Ni和Cu）中未發現這種排斥作用。因此，所獲得的催化劑在鹼性和酸性介質中均表現出令人印象深刻的ORR活性以及出色的長期穩定性。這項工作提出了進一步設計電催化劑的新概念。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202009991

02

雜-單原子電催化劑實現高效ORR

開發基於地球豐富的非貴材料的氧氣還原反應（ORR）電催化劑對於燃料電池和金屬-空氣電池的可持續大規模應用至關重要。在此，澳大利亞格裡菲斯大學趙惠軍/Huajie Yin團隊介紹了一種雜-單原子（h-SA）ORR電催化劑，其分散的Fe和Ni原子共同錨定在微米級氮-摻雜石墨碳的載體（具有多級孔結構）上。擴展X-射線吸收精細結構光譜證實，Fe-和Ni-SAs通過Fe-N4和Ni-N4配位鍵固定在碳載體上。所得的Fe/Ni h-SA電催化劑表現出出色的ORR活性，優於僅含Fe-或Ni-SAs的SA，也優於基準Pt/C電催化劑。實驗結果表明，由於共存的Fe-N4和Ni-N4位點所引起的協同作用，以及多孔結構-碳載體促進的卓越傳質能力，從而獲得了出色的ORR性能。

03

自組裝金屬聚合物實現高效OER

儘管傳統自-組裝體系結構在先進能源化學的功能應用中是一個重要的研究領域，但在很大程度上仍未得到有效開發。三重和六重-對稱的吡啶與鈷（II）鹽之間的自-組裝，均會產生新的形貌和結構特徵，而無關自-組裝片段的性質。在本文中，廣州大學王平山課題組、美國凱斯西儲大學戴黎明課題組、中南大學雷永鵬課題組等合作，通過一鍋合成法，在CH3OH/CHCl3（v/v = 5：1）的環境中製備了此類金屬聚合物。研究首次發現，含Co聚合物可以很好地分散在去離子水中，以形成由高度互連3D網絡組成的凝膠-狀自-組裝體，並表現出增強的電導率。正如預期的那樣，經過優化的Co-基聚合物結構在10 mA cm-2時表現出320 mV的低過電位，並且可經過2000次氧氣析出反應（OER）循環，表現出具有很高的穩定性，且超過了商業化RuO2/C、單-位點Co催化劑、聚合物，以及金屬-有機框架-基OER催化劑。X-射線吸收光譜和密度泛函理論計算表明，tpy-Co2+（3N-Co或tpy-Co2+）構型是高活性位點。重要的是，這項工作證明了自-組裝金屬聚合物作為電催化劑進行能源轉換的功能應用。

04

鹼刻蝕層狀雙氫氧化物納米片，增強光催化合成氨

層狀雙氫氧化物（LDH）納米片在廣泛的光反應中顯示出良好的活性，其通常歸因於納米片中大量的表面氧空位或配位不飽和金屬陽離子，它們充當活性位點以進行反應物吸附和活化。最近，LDH納米片已被證明對於使用水作為還原劑將N2光催化還原為NH3非常有效。在此，中國科學院理化技術研究所張鐵銳課題組證明了，用NaOH水溶液對ZnCr-LDH、ZnAl-LDH和NiAl-LDH納米片進行簡單的預處理可以大大提高納米片中氧空位的濃度和低配位金屬中心，從而顯著增強了它們的光催化活性——在紫外線-可見光下將N2還原為NH3（無需添加犧牲劑或助催化劑）。此處介紹的簡便鹼蝕刻策略預計將在高性能LDH光催化劑的未來開發中被廣泛採用，該催化劑可用於氨生產和其他具有挑戰性的化學轉化（例如CO2還原和水分解）。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202002199

05

Ni納米粒子與Ni3C納米片耦合，可實現高效分解水

探索高效、資源豐富的雙功能電催化劑以進行電解水是一項極為艱巨的任務。在此，武漢理工大學木士春/唐浩林團隊通過密度泛函理論（DFT）預測表明，Ni與Ni3C的偶聯不僅可以促進氧氣析出反應（OER）動力學，而且可以優化氫氣吸附和水吸附能。在實驗上，作者設計了一種簡便的策略——在碳布（CC）上原位製備Ni3C納米片，並同時與Ni納米粒子偶聯，從而形成了集成的異質結構催化劑（Ni–Ni3C/CC）。受益於出色的內在活性和豐富的活性位點，Ni–Ni3C/CC電極對OER和氫氣析出反應（HER）均表現出出色的雙功能電催化活性，且優於所有已證明Ni3C-基電催化劑在鹼性電解質中的性能。具體而言，Ni–Ni3C/CC催化劑在1 M KOH中，在電流密度為20 mA cm-2時，對OER表現出只有299 mV的低過電位；而在10 mA cm-2的電流密度中，對HER表現為98 mV的過電位。此外，雙功能Ni–Ni3C/CC催化劑可以以優異的活性和接近100%的法拉第效率推動水電解。這項工作強調了基於理論預測來設計和構建具有高活性的先進碳化鎳-基催化劑的簡便方法。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202001642

（本期作者：毛毛的維）

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