Hydrogen Evolution Reactivity of Pentagonal Carbon Rings and p-d Orbital Hybridization Effect with Ru
eChemStore 碳中和产学研 2024年09月18日 11:30 北京
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论文拟解决的关键挑战：
碳基框架不可避免地存在拓扑缺陷，其内在或外在缺陷可以显著改变碳层的电中性，从而导致不同的电化学性能，但其内在的电催化活性和机制尚不清楚。内在五边形缺陷有可能成为有效的氧还原反应(ORR)活性位点。但其是否在析氢反应(HER)中作为活性位点发挥重要作用尚不清楚。此外，五边形缺陷与锚定金属之间的具体相互作用也是一个谜。
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图文简介：
针对上述挑战，武汉理工大学的木士春研究员和朱加伟博士等人在Angewandte Chemie International Edition发表论文，该团队从理论和实验两个方面系统地研究了碳中的五边形环的反应性。理论计算表明，五角形环作为基面上的拓扑缺陷，可以收缩带隙，优化p带中心，使碳基体具有中等的析氢反应(HER)活性。
为了提高反应性，作者通过C和Ru原子之间的p-d轨道杂化将Ru簇与富五方环碳(PRC)偶联(Ru@PRC)，从而驱动电子从Ru簇向五边形环快速转移。缺电子的Ru导致Ru的d带中心发生了明显的负位移，减弱了它们与氢中间体的结合强度，从而提高了HER在不同pH介质中的活性。
在电流密度为10 mA cm-2时，PRC大大降低了碱性HER过电位，从540 mV降至380 mV。Ru@PRC甚至表现出28和275 mV的低过电位，分别达到10和1000 mA cm-2的电流密度。令人印象深刻的是，在过电位为50 mV时，Ru@PRC的质量活性是Pt/C的7.83倍。
本研究为碳纳米材料的拓扑缺陷组装和产氢提供了有力的指导，并对富缺陷碳基材料的内在相互作用和催化活性来源有了深入的了解。
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修改于2024年09月21日