【人物与科研】ACS Catalysis:设计低配位单原子钴负载在氮化碳基地用于析氢反应
导语
图1. Co-C3N4/rGO 合成示意图(来源:ACS Catalysis)
朱永法教授简介
获得教育部跨世纪优秀人才及国家自然科学基金委杰青年基金资助。获得国家自然科学奖二等奖1项, 教育部自然科学奖一等奖2项、二等奖1项,教育部科技进步奖二等奖和三等奖各1次。发表SCI论文437篇,高被引论文41篇;论文总引37000余次,H因子为109。2014-2021年Elsevier高被引学者(化学),2016年Elsevier全球材料科学与工程学科高被引学者,2018-2021科睿唯安“全球高被引科学家”(化学), 2021年度全球顶尖前10万科学家排名第851位。
学术兼职有Applied Catalysis B副主编、中国感光学会副理事长兼光催化专业委员会主任、北京市室内与车内环境净化行业协会会长、中国分析测试协会常务理事、中国化学会环境化学专业委员会委员、环境与能源光催化国家重点实验室学术委员会委员、教育部资源化学重点实验室学术委员会副主任。
第一作者简介
刘性辉博士,2021年毕业于成均馆大学化学系,目前已发表SCI学术论文30多篇,其中以主要作者在高水平期刊如Matter、Nat. Commun.等发表论文19篇;申请专利2项,学术兼职有Nano-Micro Letter助理编辑和Journal of Modern Polymer Chemistry and Materials 编委。
前沿科研成果
设计低配位单原子钴负载在氮化碳基地用于析氢反应
石墨氮化碳(g-C3N4)提供了许多用于捕获的氮配位剂,不仅能增加单一金属的负载量,更重要的是,它提供了更准确的催化活性中心结构信息,可以直接反映实验结构与催化性能之间的关系。因此,g-C3N4可以作为具有各种反应的单金属原子的有希望的载体。通过将合适的单原子金属(Co)与有前途的基底(g-C3N4)偶联,作者系统地研究了Co-g-C3N4/rGO SACs(Co-CNG),利用实验和理论来获得更高的HER活性。
值得注意的是,Co-CNG具有与商业Pt/C相当的优异的HER性能,包括在低电位(47 mV)下,达到了10mA cm-2的电流密度,优异的质量活性(Pt/C的4倍),对HER的长期耐久稳定性为500小时。
图2. HER活性表征。(a)Co-C3N4/rGO、Co-C3N4、C3N4/rGO和Pt/C在 1.0 M KOH中的LSV曲线,扫描速率为5 mV s-1。(b)比较达到10 (500) mA cm-2电流密度所需的过电势。(c)(a)中极化曲线的塔菲尔图。(d)Co-C3N4/rGO、Co-C3N4、C3N4/rGO和Pt/C在不同过电位下金属的质量活度。(e)在1.0 M KOH条件下,在100 mA cm-2的恒定阴极电流密度下获得的Co-C3N4/rGO、Co-C3N4 和Pt/C的时间-过电位曲线。
(来源:ACS Catalysis)
图3. Co-C3N4/rGO的DFT计算建模和催化活性起源原理。(a)Co-N3的电荷密度差异结构。(b)Co-N1的电荷密度差异结构。(c)Co-N和Co-3N模型的相对能量分布。(d)Co-N模式下沿HER途径的各种反应物质的简化表面结构(侧视图和顶视图)。(e)Co-3N模式下沿HER途径的各种反应物质的简化表面结构(侧视图和顶视图)。(f)Co-N和Co-3N系统的d波段中心。(g)Co-N模式下Co的3d的投影DOS。(h)Co-3N模式下Co的3d的投影DOS。颜色代码:C(灰色)、N(蓝色)、Co(红色)、O(粉红色)和 H(白色)。
(来源:ACS Catalysis)
要点二:Co-CNG具有低配位活性位点,包括Co-3N和Co-N。根据密度泛函理论计算,Co-N位点作为催化活性中心。与Pt的(111)表面比较,Co-N位点具有很较低的水裂解自由能和合适的质子结合能,这是Co-N具有高催化活性的本质原因。根据实验结果,Co-CNG具有与商业Pt/C相当的优异的HER性能,展示出高于Pt/C催化剂4倍的质量活性和超长的稳定性。
要点三:相比于纳米颗粒,当前大部分单原子催化剂有较高的质量活性。但是如何进一步提高单原子位点的催化活性,是一个具有挑战的问题。这个工作提供了一个调控配位环境,进一步提高单原子位点的催化活性,为进一步提高单原子催化剂的性能提供一个思路和方向。本文第一作者刘性辉博士,通讯作者朱永法教授,通讯单位为清华大学。
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