异质结构可以通过调节不同组分的电子性质,在界面处形成独特的界面电荷态从而促进其催化活性,在能量转换领域显示出巨大的潜力。然而,对于高活性异质结构的可控制备(如成分调整、形貌控制以及活性位点分布等)依旧存在挑战。
电解水产氢(HER)作为“最理想的工业制氢方法”,其理想的催化剂多以铂(Pt)基材料为主,然而,稀缺性和高价格极大地限制了它的实际应用。许多非铂基催化剂,如镍基催化剂、钼基催化剂、钴基催化剂、杂原子掺杂碳催化剂等,虽已被大量研究,但与铂基催化剂相比,性能差距依然明显。因此,开发性能优越的非铂基催化剂越显重要。目前,科学家已发现在钌颗粒晶格中掺入适量的异质金属(如钴、镍等)形成合金,可以有效改变钌基催化剂的电化学特性,从而显著提高其催化活性和稳定性。然而,由于多金属成核和还原过程的难以控制,制备具有尺寸可控、性质稳定的钌纳米合金材料仍具有很大的挑战。
最近,上海交通大学庄小东教授课题组与苏跃增教授团队合作,利用模板法制备可控的离子聚合物纳米片,以含阳离子聚酰亚胺为前驱体,通过简便的离子交换法,将双金属(MoO42?/Ru[CN]64?)源成功地引入前驱体中,经高温热解形成嵌有RuMo合金纳米颗粒的二维多孔氮掺杂碳纳米片(2DPC-RuMo;图1)。所制备的2DPC-RuMo呈现规整的六边形形貌(2.5 μm)、均匀的RuMo合金颗粒分散和高的比表面积(356 m2 g?1)(图2)。作为HER催化剂,在碱性介质中,2DPC-RuMo表现出优异的电催化性能,电流密度达到10 mA cm-2时的过电位仅为18 mV,Tafel斜率为25 mV dec-1,转化频率(TOF)值高达3.57 H2 s-1,其性质优于文献报道的其它钌基碳催化剂(图3)。进一步DFT计算表明,钌钼合金和氮掺杂碳的新型异质结构可以有效促进水的分解,降低催化剂对氢的吸附能,利于氢在催化剂表面吸脱附,从而提高HER性能(图4)。这项工作为可控制备金属(合金)基异质结构提供了一种有效可行的方法,同时为电催化析氢反应提供了一种优异的催化剂。
图1金属基二维多孔碳纳米片(2DPC-M)的制备工艺示意图:i)单体PMDA和Vio-NH2?2HCl沉积并在MgAl-LDH模板表面原位聚合,形成IPI-X@LDH(X=Cl);ii)与含有金属的阴离子进行离子交换,形成IPI-X@LDH(X=[MoO4],0.5[Ru(CN)6]);iii)IPI-X@LDH碳化形成2DPC-M@LDO;iv)蚀刻LDO模板生成2DPC-M(M=Mo、Ru和RuMo)
图2 a) 2DPC纳米片的SEM图,标尺:5 mm;b) 2DPC-RuMo纳米片的TEM图,标尺:500 nm;c) 2DPC-RuMo纳米片HRTEM图和粒径尺寸分布,标尺:10 nm;d) 2DPC-RuMo纳米片HAADF-STEM-EDS图,标尺:2 nm;e) RuMo纳米颗粒的HRTEM图,标尺:1 nm;f) 更大放大倍数的HRTEM图, 标尺:0.5 nm; g) 具有明显错位晶界的HRTEM图,标尺:0.5 nm。
图3 2DPC-RuMo的HER性能测试。a) LSV曲线;b) Tafel斜率;c) 与文献性能对比;d) 电容特性;e) TOF值对比;f) 循环稳定性和恒压稳定性。
图4碱性介质中对HER活性的密度泛函理论计算。
目前该工作以“A Novel Heterostructure Based on RuMo Nanoalloys and N-doped Carbon as an Efficient Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction”为题在线发表在《先进材料》(Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202005433)上。该论文的第一作者为上海交通大学2017级硕士研究生涂柯俊,通讯作者为庄小东教授、苏跃增教授和杨重庆博士。该项工作得到了基金委优秀青年基金资助,获得了科技部国家重点研发计划、自然科学基金面上项目以及上海市科委的资助。
原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202005433
- 中科大王育才教授/徐航勋教授《AFM》:近红外光响应的超薄聚合物纳米片逆转乏氧和冷肿瘤的免疫抑制微环境 2021-03-08
- 深圳大学刘洲、孟思 Small:细菌纤维素纳米纤丝组装且具有异质结构的组织工程纤维 2024-02-03
- 合工大胡颖团队 CEJ:基于MXene异质结构的压电离子传感器及其可穿戴应用 2024-02-02
- 北石化师奇松课题组 Polymer:基于MXene/MoS2异质结构与梯度多层协同的用于人体运动监测的高灵敏度、透气柔性传感器 2023-11-01
- 中国科学院大学王洋课题组 Macromolecules:高性能单苯氧亚胺IVB族三烷基烯烃聚合催化剂 2024-03-19
- 浙大伍广朋教授团队 Chem. Soc. Rev. 综述: 有机硼催化的聚合反应 2024-03-17
- 华科大谭必恩/王笑颜团队 Angew:共聚策略构筑D-A-A型共价有机框架用于高效光催化生成过氧化氢 2024-03-05