慕瑾 催化開天地 2023-07-14 08:30 發(fā)表于廣東
目前，人們發(fā)現當活性中心之間的間距最小化到原子尺度時，它們的相互作用將對催化過程產生強烈的影響。例如，原子分散的Fe3+位點可以加速CO2電還原成CO、分離的Fe-N4的位點間距離效應能夠增強ORR活性，以及Rh原子之間平均距離的調節(jié)對析氫反應(HER)具有協同催化作用。然而，目前的研究主要集中在通過控制活性位點密度或施加應力來調節(jié)位點間距，這難以對位點間距進行精確調控，從而阻礙了對位點距離主導的反應路徑的全面理解。因此，有必要開發(fā)一種先進的原子間距調制策略以建立目標催化反應的構效關系。
近日，武漢理工大學木士春課題組報道了一種通過輕間隙原子填充控制活性金屬中心原子間距(dM-M)的新方法，顯著提高了酸性或堿性HER的催化活性和穩(wěn)定性。具體而言，根據密度泛函理論(DFT)的計算，首先證實了小半徑和低電負性的B原子能夠完美地平衡金屬鋨(Os)幾何膨脹過程中的應力變化和電子轉移；伴隨著金屬間化合物OsBx(x=1，1.5，2)中B間隙原子的量的增加，導致Os(dOs-Os)的原子間距從2.73逐漸增加到2.96 A，以及反向的氫吸附-距離關系。
隨后，通過實驗實現了B插入Os金屬晶格中，獲得了有序的梯度排列，形成了穩(wěn)定的Os-B金屬間化合物。與傳統的表面修飾和摻雜不同，強的主客體電子相互作用和新化學鍵的形成進一步增強了催化劑的活性和穩(wěn)定性。此外，研究人員結合理論分析和實驗表征，建立了結構-活性關系: 活性Os原子間距隨著B的逐漸填充而增大，導致H結合和H2O解離能壘減小，同時抑制了O的吸附。
因此，在堿性介質中，dOs-Os為2.96 A時表現出最佳的HER活性(8 mV@10 mA cm-2)。同時，增強的Os-B配位效應抑制了Os的失活和溶解，使其成為迄今為止活性最高、穩(wěn)定性最好的HER催化劑。總的來說，該項工作報道了一種微調原子間距的策略和揭示了反氫吸附-距離關系，這為開發(fā)先進催化劑提供了理論指導。
Tuning Active Metal Atomic Spacing by Filling of Light Atoms and Resulting Reversed Hydrogen Adsorption-Distance Relationship for Efficient Catalysis. Nano-Micro Letters, 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01142-1