苏州纳米所在热迁移构建W-W双位点促进碱性电催化析氢获进展

原标题:苏州纳米所热迁移进展及W-W双位点构建促进碱性电催化析氢

过渡金属碳化物在电催化析氢(HER)中具有类铂催化性质，这是因为其费米表面附近的态密度由于碳原子嵌入钨晶格而具有类铂贵金属的电子结构。与传统的酸性HER相比，碳化钨在具有大规模制氢潜力的碱性环境中的析氢性能不如理论预测的好。其中一个重要原因是钨金属的D轨道电子填充数小于半填充，缺少电子，富含空轨道。虽然这对于碱性HER反应的底物H2O分子的吸附和解离非常有利，但是解离的H*和OH*中间体物种的脱附是极其困难的。氢的脱附困难，导致HER活性差，而W-OH*的强吸附导致W位深度氧化，形成惰性WxOy物种。这种典型的酸性氧化钨物种在碱性环境中容易被蚀刻和溶解，伴随着活性中心的坍塌和催化活性的衰减。因此，寻找具有类铂电子结构，同时具有高效离解水和脱氢催化活性的碳化钨催化剂，将是今后设计碳化钨基碱性HER催化剂的关键。

经过十年的快速发展，单原子材料在均相和非均相体系中的催化活性远高于常规块体材料。最近，以单原子材料为基础材料，通过热、光、电等外界因素的刺激和诱导，可以合成出催化活性更高的原子簇材料。主要原因是单原子和纳米晶之间的亚纳米团簇材料的活性位点之间的几何距离更近，位点之间通过金属键直接键合，金属键/非金属键处于不饱和配位状态。这些优点使得原子簇材料在小分子(HER，OER，ORR，NRR，CO2RR等)的催化反应中吸附、活化、产生底物。)理论上。然而，目前报道的由单原子母体金属反向合成原子团簇材料的工作仅停留在管式炉中固定温度下的碎裂制备，单原子向纳米晶演变过程中电子结构的细微变化仍然难以捕捉和分析，这使得原子团簇的可控合成非常困难。nano 空互联实验站(Nano-X)的近大气压X射线光电子能谱仪(NAP-XPS)可以模拟不同温度和气氛下的管式炉合成条件，直接记录靶元素在不同温度下的光电子能谱。

近日，在前期钨单原子材料制备(nanoenergy 2019，60，394–403)和钨的电催化析氢反应(Nano Energy 2020，68，104335)研究的基础上，中科院苏州纳米所崔屹研究员和先进材料部赵志刚研究员进一步以单原子钨为基底材料，基于热迁移和团聚策略，依托苏州纳米所Nano-X的NAP-XPS表征设备 原位揭示了单原子-钨团簇-碳化钨纳米晶生长过程中电子结构的演化机制。 基于NAP-XPS和手套箱电化学工作站的优势，准原位分析了钨团簇的基本HER催化机理。对合成机理的原位/准原位分析有助于加速开发类铂高活性碱性HER钨簇合物催化剂。

图一。纳米X能量催化方向的原位/准原位表征设备:(a)原位NAP-XPS测试图，(b)不同温度下测得的W 4f XPS精细谱，(c)CVD管式炉-手套箱-NAP-XPS三角互连器件图，(d)样品经过CVD/手套箱处理后，无暴力空。(e)手套箱-NAP-XPS实物图片；(f)在手套箱中的电化学工作站处理样品后，将其转移到NAP-XPS分析室，以测试W 4f XPS的精细光谱。

该工作为亚纳米原子团簇材料的可控合成和相关电催化机制的分析提供了新的研究思路。相关工作发表在国际知名期刊《自然通讯》上，题目是《热迁移塔建设W-W双位点促进碱性析氢反应》。该论文的共同第一作者为中国科学院苏州纳米技术研究所Nano-X博士后陈志刚和苏州大学功能纳米技术与软材料研究所博士生徐亚锋。通讯作者为中国科学院苏州纳米技术研究所研究员崔屹和赵志刚。同时，基于上述工作的原位表征，崔屹研究团队在W-Ni双金属合金的碱性电催化析氢反应方面也取得了初步进展。相关工作发表在《物理化学杂志C》上，题目是《钨镍合金促进碱性析氢反应》。相关论文的共同第一作者为中科院苏州纳米所Nano-X硕士生杨娜娜和博士后陈志刚。通讯作者为中国科学院苏州纳米技术研究所研究员崔屹和博士后陈志刚。上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家自然科学青年基金、中科院青年科学家计划、中科院青年交叉团队、江苏省博士后基金和Nano-X的大力支持。

来源:苏州纳米研究所

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https://doi.org/10.1038/s41467-022-28413-6

https//doi . org/10.1021/ACS . jpcc . 1c 07465返回搜狐查看更多

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