北理工團(tuán)隊(duì)在超快脈沖放電制備非對(duì)稱配位銅單原子催化劑研究中取得進(jìn)展
發(fā)布日期:2024-01-12 供稿:材料學(xué)院 陳文星 攝影:材料學(xué)院
編輯:牟雪嬌 審核:程興旺 閱讀次數(shù):近日,,北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳鵬萬教授課題組在超快脈沖放電制備非對(duì)稱配位的銅單原子催化劑催化劑研究中取得重要進(jìn)展,。2024年1月,相關(guān)研究成果以“Ultra-fast Pulsed Discharge Preparation of Coordinatively Unsaturated Asymmetric Copper Single Atom Catalysts for CO2 Reduction”為題在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Functional Materials》上發(fā)表,。北京理工大學(xué)陳鵬萬教授和高鑫助理教授為論文共同通訊作者,。
非對(duì)稱配位單原子催化劑(SAC)作為具有獨(dú)特配位環(huán)境和高原子利用率的新型催化劑,在電化學(xué)催化中展現(xiàn)了巨大的潛力,。具有快速高溫輸入和高冷卻速率的超快熱解策略為制備新型非對(duì)稱配位SAC提供了巨大的機(jī)會(huì),,目前,通過新型超快熱解策略合成非對(duì)稱配位環(huán)境的SAC仍具有一定的挑戰(zhàn)性,。
為了解決這個(gè)問題,,陳鵬萬教授課題組成功設(shè)計(jì)了一種新型的脈沖放電策略來快速合成配位不飽和非對(duì)稱的銅單原子催化劑(CuN1O1-SAs/GAs),產(chǎn)生的極端熱沖擊和強(qiáng)電磁場(chǎng)誘導(dǎo)石墨烯氣凝膠的原位氮摻雜,,同時(shí)實(shí)現(xiàn)Cu元素的原子級(jí)分散,,通過原子水平的結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證了不對(duì)稱的Cu-N1O1配位結(jié)構(gòu)。CuN1O1 SAs/GAs在CO2RR中的寬電勢(shì)范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性和活性來產(chǎn)出甲酸(FE:93.7%,,-0.9 V vs.RHE),,并且該催化劑在穩(wěn)定的電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性(>10 h),。CuN1O1 SAs/GAs的原位X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)試表明,非對(duì)稱的Cu-N/O鍵極大地促進(jìn)了CO2RR過程產(chǎn)生甲酸,。最后,,第一性原理計(jì)算表明,甲酸產(chǎn)生的能壘低于CO,,配位不飽和非對(duì)稱的Cu-N1O1結(jié)構(gòu)更傾向于產(chǎn)生甲酸,。此外,快速脈沖放電方法也可以合成具有M-N1O1(M="""Mn,,F(xiàn)e,,Co,Ni)配位結(jié)構(gòu)的不同金屬的SAC,。
脈沖放電方法實(shí)現(xiàn)了CuN1O1 SAs/GAs的超快一步制備,,并在石墨烯上原位摻雜氮原子,將原子級(jí)分散的Cu原子與氮,、氧原子錨定在一起(圖1),。同時(shí),該方法可以很容易地推廣到其他金屬元素SAC,,并具有大規(guī)模制備的潛力,。
圖1 超快脈沖放電合成CuN1O1 SAs/GAs及表征
利用同步輻射硬X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)和傅立葉變換擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(FT-EXAFS)研究了脈沖放電合成的CuN1O1 SAs/GAs的局部配位環(huán)境(圖2),這種不飽和非對(duì)稱Cu─N1O1配位結(jié)構(gòu)的保留主要是由于瞬態(tài)脈沖電流引起的沖擊效應(yīng),。
圖2 CuN1O1 SAs/GAs的化學(xué)態(tài)和原子配位結(jié)構(gòu)
所制備的CuN1O1 SAs/GAs催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的CO2RR性能(圖3),,在-0.9V相對(duì)于RHE時(shí)具有93.7%的法拉第效率,并保持了良好的穩(wěn)定性,,超過了大多數(shù)CO2RR產(chǎn)出HCOOH的電催化劑,。
圖3 CuN1O1 SAs/GA的CO2RR性能
原位XAFS、原位紅外(圖4)及第一性原理計(jì)算表明,,處于拉伸狀態(tài)下的不飽和非對(duì)稱Cu-N1O1配位結(jié)構(gòu)是電化學(xué)催化CO2RR過程高活性的關(guān)鍵,。
圖4 CuN1O1 SAs/GAs的原位XAFS和原位紅外表征
全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202312589
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