中南大学刘敏Angew :原子局部电场诱导的碱性析氢反应界面水定向

石浩东大化所 1年前 (2023-04-03) 1861浏览

图图

  • 【导读】

碱水电解是大规模制氢的一种很有前途的方法。在碱性电解质中，作为氢源的水的解离通常被认为是析氢反应（HER）的决速步。碱性电解质中水的缓慢解离过程严重限制了HER的动力学。通常，H2O在催化剂和电解质之间的界面处的取向，包括吸附构型（O-down或H-down）和H2O的H-O-H键角，可以直接影响解离过程。因此，调节界面H2O的取向以促进H2O的解离是提高HER活性的一种很有前途的方法。

二、【成果掠影】

近日，中南大学刘敏教授利用IrRu双异核单原子位点（IrRu-DSACs）设计了原子不对称的局部电场，以调节H2O的吸附构型和取向，从而优化其离解过程。这项工作为探索单原子位点在碱性析氢反应中的作用提供了一种新的途径。相关研究成果以“Atomically Local Electric Field Induced Interface Water Reorientation for Alkaline Hydrogen Evolution Reaction”为题在Angewandte Chemie International Edition上发表。

三、【核心创新点】

√通过IrRu双奇单原子位点（IrRu-DSACs）设计了原子不对称的局部电场，以调节H2O的吸附构型和取向，在碱性HER过程中在10mA/cm2下表现出10mV的超低过电势，并且在1A/cm2下在300小时内在MEA中表现出超高稳定性。

四、【数据概览】

图1（a） CoP和IrRu DSACs的电荷密度分析。（b）通过从头算分子动力学（AIMD）模拟模拟的界面H2O取向，以及界面处吸附的H2O分子在z方向上的统计H和O分布距离（c）。通过DFT计算的CoP和IrRu DSACs上H2O解离过程（d）的能垒和结构。© 2022Zhongnan University

图2（a） IrRu DSACs的STEM图像。（a1）是IrRu DSACs的低分辨STEM图像。矩形标记具有不同暴露面的IrRu DSAC的放大区域。（a2）是具有0.26nm的晶格距离的CoP的放大面积。（a3）是具有0.5nm的晶格距离的CoP的放大面积。（b） IrRu DSACs中Ir-Ru对的原子分布。顶部是Ir原子和Ru原子之间距离的集合。底部是Ir和Ru原子距离的统计数据。（c） Ir SAC的Ir L边缘、Ir箔和IrRu DSAC。（d） Ru SAC的Ru K边缘、Ru箔和IrRu DSAC。所选区域积分微分相位对比STEM（e），对应的量化电荷密度（f）。IrRu DSACs中Ir-Ru对的总电场和电荷变化（g）。© 2022Zhongnan University

图3IrRu DSACs的原位拉曼光谱（a）和拉曼光谱相应特定峰比峰强度（b）及界面水结构演变（c）。CoP（d）的原位拉曼光谱和和拉曼光谱相应特定峰比峰强度（e）和界面水结构演变（f）。© 2022Zhongnan University

图4所制备的催化剂的电化学极化曲线（a）、Tafel图（b）和10mA/cm2下的过电位。（c）、（d）Ir-Ru DSACs在1.4和0.3 A/cm2的大电流密度下的加速降解曲线。（e） DSAC采用的MEA模型试验。（f） IrRu DSACs在MEA中在1A/cm2下的稳定性测试。© 2022Zhongnan University

五、【成果启示】

在这项工作中，IrRu DSAC被设计为产生原子不对称的局部电场，用于调节H2O的吸附构型和取向，从而促进碱性HER。对于碱性HER，所获得的IrRu DSACs在10mA/cm2下表现出10mV的超低过电势，并且在1A/cm2下在300小时内在MEA中表现出超高稳定性。定量结果表明，IrRu DSACs具有4.00e/Å2的电荷密度值，这导致了强的原子局域化电场、界面H2O的重新取向，促进了H2O的解离，从而获得更好的HER。该研究结果表明，原子局域电场诱导的水取向是实现高HER活性的有效途径。

原文详情：https://doi.org/10.1002/anie.202300873

本文由图图供稿

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