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特种化学电源研究所团队在单原子Pt电解水制氢领域取得重要进展

发布时间:2020-09-01浏览次数:12来源:化工与化学学院

近日,我院特种化学电源研究所团队在单原子Pt电解水制氢领域取得重要进展,实现了利用酰胺基团(N-C=O)的供电子效应来调节单个原子Pt的电子结构的策略,并表现出优越的电解水制氢性能。研究成果以“Polyvinylpyrrolidone-Coordinated Single-site Platinum Catalyst Exhibits High Activity for Hydrogen Evolution Reaction.(聚乙烯吡咯烷酮协同单原子位点Pt催化剂具有较高的析氢活性)”为题发表在国际化学顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》(影响因子12.959),并被选为“Hot Paper”。高云智教授为文章第一通讯作者,博士生李灿为第一作者,本工作由国家自然科学基金重点项目(Grant No. 21433003)支持。

单原子催化剂(SACs)因其极高的原子利用效率和无与伦比的卓越催化性能,近年来在多相催化领域越来越受到广泛关注,尤其在贵金属单原子催化剂领域,其突出的催化活性可以弥补它们在稀有量和高成本的短板,从而实现大规模商业化应用。目前,原子级分布的铂原子已经成功地锚定在各种载体材料上,在各种催化反应中表现出了优越的催化性能。SACs中金属原子与周围配位环境的相互作用一直被认为是调节单位点催化活性的一个重要参数,但是,这一问题在很大程度上仍然是未知的,通常也没有很好的研究方法,特别是对于通过热解方法制备的SACs。在本工作中,团队采用了一种常温下可控的光化学方法制备Pt SACs。该策略实现了利用有机稳定剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)调控单原子Pt的电子结构,研究发现用含有酰胺基N-C=O基团的不仅是维持Pt原子分布的配位环境,而且对Pt SACs电子结构产生供电子效应。理论计算(DFT)和同步辐射光谱数据(N K-edge XANES spectra)均表明:带部分正电荷的Pt原子与PVP分子的酰胺基团(N-C=O)配位结构是电解水制氢反应(HER)的活性中心。在电化学性能测试中,制备的Pt SACs催化剂呈现出优秀的HER活性和稳定性。该方法开拓了一个普适性兼高价值的研究视角:通过精心挑选出基于电子结构的配位结构的贵金属和配位基团来设计贵金属(Au, Pd, Ru, Ag)单原子催化剂,以此来提升各种化学反应的催化性能。

文章链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202005282

1 光化学还原构建PVP配位Pt单原子活性中心的形成机理示意图

2 N·K-edge-XANES光谱数据和理论计算(DFT)模型印证酰胺基团(N-C=O)的供电子效应对单个原子Pt电子结构的调控