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中國科大在催化劑金屬-載體強相互作用方面取得新進展

時間:2019-11-01 20:05:48 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  負載型金屬催化劑對于現代工業至關重要。大量的實驗和理論研究表明,負載型金屬催化劑中的載體不僅扮演著分散和穩定金屬納米顆粒的作用,還會與金屬顆粒產生強相互作用,進而影響催化劑的活性、選擇性及穩定性。近日,中國科學技術大學梁海偉教授課題組與武曉君教授課題組進行實驗和理論相結合的合作研究,基于硫摻雜碳負載鉑(Pt)催化劑體系,發現了金屬與碳載體之間的電荷轉移方向隨著Pt尺寸的變化而反轉的新現象(圖1)。該研究成果以“Reversing the charge transfer between platinum and sulfur-doped carbon support for electrocatalytic hydrogen evolution”為題,發表在國際期刊Nature Communications上。論文的共同第一作者為博士研究生嚴強強和吳道雄。


  在該項工作中,研究人員首先利用他們前期發展的過渡金屬催化碳化有機小分子的方法(Nature Communications 2015,6, 7992;Science Advances 2018,4, eaat0788),合成了硫摻雜介孔碳(S-C)載體材料,并采用傳統的浸漬法使用該S-C載體材料制備出兩種不同的Pt催化劑材料:Pt單原子(PtSA/S-C)與Pt納米團簇(PtNC/S-C)催化劑。球差校正透射電鏡(HAADF-STEM)和同步輻射X-射線吸收譜(EXAFS和XANES)表征結果證實了Pt單原子和Pt納米團簇結構特征,即二者都直接與碳載體上的硫原子鍵合(圖2a,b)。有趣的是,研究人員通過分析對比樣品的X-射線光電子能譜(XPS)和XANES譜,發現了Pt與S-C載體之間的電荷轉移方向隨著Pt尺寸的變化而反轉的新現象:當Pt為單原子時,其電子向S-C載體轉移;而當Pt為1.5 nm團簇時,電子從S-C載體向Pt轉移。同時,理論計算的電荷分析結果進一步證實了這種Pt和S-C載體之間電荷轉移的反轉現象(圖2c,d)


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圖1. S-C負載的Pt單原子與Pt納米團簇合成示意圖以及電荷轉移變化。


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  圖2. S-C負載的Pt單原子與Pt團簇的結構表征:(a)Pt單原子的HAADF-STEM圖;(b)Pt納米團簇的HAADF-STEM圖;(c)Pt納米團簇的差分電荷密度分析;(d)Pt單原子的差分電荷密度分析。


  進一步,研究人員探究了上述兩種催化劑的電催化析氫反應性能。實驗結果表明,具有富電子特性的Pt納米團簇的催化活性明顯優于缺電子的Pt單原子和商業的Pt/C催化劑。理論計算表明,對于Pt團簇體系,S-C載體上的電子向Pt團簇轉移,導致Pt上的電子云密度上升,H*吸附的吉布斯自由能下降,HER活性提升。該項工作闡述了一種對金屬和載體之間電荷轉移現象的新理解,為高效催化劑的設計提供了一種基于電荷轉移調控的新思路。


  該項研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃基金、中央高校基本科研業務費專項基金、以及中國科學技術大學同步輻射聯合基金的資助。


  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12851-w


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