中科院上海硅酸盐所黄富强研究员/王家成研究员《ACS Nano》：碱金属离子诱发二氧化钛结构缺陷促进协同析氢反应

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碱金属离子在复合物表面的特异性吸附能够有效提升其催化活性。催化剂表面的碱金属离子位点可以通过电子相互作用、位阻效应或表面重构产生局部缺陷，改善催化剂的结构特性。通过载体吸附碱金属离子虽然已被证实可以调节负载的纳米颗粒的形貌尺寸与稳定性，但是载体本身的催化作用往往被忽略。通过载体的结构特性来调节反应中间体的吸附特性对于多步的催化过程能起到关键作用。

上海硅酸盐研究所黄富强研究员与王家成研究员团队通过在B相二氧化钛中引入碱金属离子，键合金属颗粒，从而实现协同催化水分解反应，相关成果以“Caged-Cation-Induced Lattice Distortion in Bronze TiO2 for Cohering Nanoparticulate Hydrogen Evolution Electrocatalysts”为题发表在ACS Nano。B相二氧化钛具有开放的孔道结构，能够促进碱金属离子的插入，诱发二氧化钛纳米带产生大量的结构缺陷（Na-TiO2(B)）。碱金属离子不仅能够提升载体的亲水特性，也能促进钌钼双金属颗粒的化学定向锚定，并促进颗粒的均匀负载。从而显著提升催化剂在碱性析氢过程中的催化活性。在碱性条件下，该催化剂在10 mA cm^-2的电流密度下过电位仅为12 mV，且具有较高的TOF值。通过对比其酸碱析氢活性的差异，推断出该碱金属离子修饰的载体能够促进水的吸附与解离，从而促进碱性析氢反应。

图1 a) Na-TiO2(B)的结构示意图；b)RuMo/ Na-TiO2(B)的催化示意图；c)水接触角；d)纳米颗粒的粒径分布；e)不同催化剂的TOF值

图2 a) XRD图谱；b)EPR曲线；c)Ti K-边在R空间的EXAFS曲线；d) RuMo/Na-TiO2(B)的TEM；e-g)HRTEM；h-j)HAADF-STEM；k)EELS元素分布

图3 a) Ti 2p的XPS光谱；b) Ti K-边的XANES曲线；c) Ru K-边的XANES曲线；d) Mo K-边的XANES曲线；e) Ru K-边在R空间的EXAFS曲线；f)通过e拟合出的配位数

图4 a)LSV曲线；b)Tafel斜率；c)性能对比；d)与已报道的钌基催化剂性能对比；e稳定性曲线)；f)催化示意图

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c04513

作者简介

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黄富强：北京大学博雅特聘教授，中科院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金项目获得者，中国化学会能源化学专业委员会主任，科技部重点领域创新团队负责人，万人计划创新领军人才，国家重点研发计划项目首席科学家；团队年轻学者获得国家优秀青年科学基金、中科院青年创新促进会优秀会员、上海市青年拔尖人才计划、上海市启明星计划等人才项目、国家"博新计划"、中科院超级博士后计划、上海市超级博士后计划等青年人才计划资助，共承担国家NSFC项目20余项目。研究团队在Science, Nat. Phys., Nat. Mater., Adv. Mater., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.等期刊发表论文600余篇；曾承担国家重点研发计划、十三五xxx重点项目、科技部973和863等重点项目；中国发明专利授权120余项，国外发明专利授权20余项。

王家成：中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。中科院上海硅酸盐所先进材料智能化研究协同创新中心（AMIS）副主任；“电催化材料与能源器件”课题组组长。曾获得日本学术振兴会外国人特别研究员、德国洪堡学者、欧盟玛丽居里研究员等多项荣誉称号。主要研究领域为无机多孔能源、催化与环境材料的结构设计、制备及应用研究。累计在Nature Mater.、Prog. Mater. Sci.、npj Comput. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、 Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、ACS Catal.、Energy Storage Mater.、Nano Energy等著名期刊上发表SCI学术论文160余篇，被引用7000余次。累计主持国家基金委、中科院、上海科委、装发等科研项目10余项。担任国家科技奖励计划、国家自然基金委、中组部人才计划等项目评审专家。担任《无机材料学报》编委。