on style="line-height: 1.75em; box-sizing: border-box;">▲第一作者：余志鹏，李一凡，André Torres-Pinto
通讯作者：Joaquim L. Faria，刘利峰 刘利峰博士课题组与Joaquim L. Faria教授课题组合作，报道了一种简单的水热合成方法，成功地将单原子Ir和Ru锚定在介孔石墨氮化碳上（分别表示为Ir-g-CN和Ru-g-CN）。值得注意的是，具有较低金属负载量的单原子Ir-g-CN和Ru-g-CN催化剂在酸性和碱性介质中均表现出优异的本征及表观催化活性。此外，当用于光催化水分解时，Ru-g-CN可以实现489.7 mmol gRu-1 h-1的高产氢率，并显示出良好的光催化稳定性。该研究为开发用于可持续能源转换的高效、稳定、多功能催化剂提供了一种有前景的策略。氢 (H2) 作为一种高能量密度和可再生的能源载体，在交通运输行业和难以减排的重工业中显示出巨大的脱碳潜力。电催化和光催化水分解是生产绿氢的有前景的方法，也是可再生能源储存的一种优选方式[1,2]。对于水电解槽和光催化反应器的大规模应用，开发高效稳定的析氢电催化剂和光催化剂至关重要，因其是这些反应装置中不可或缺的组成部分之一。自2009年首次被报道以来，g-CN作为一种用于制氢的无金属光催化剂已被广泛研究[3]。但一般来说，纯g-CN的产氢效率并不理想。负载助催化剂已被证明是提高活性的一种重要方法。此外，最近的理论和实验研究表明，负载贵金属或过渡金属物质的g-CN可以作为酸性和碱性电解质中HER催化剂，显示出很好的析氢性能 [4]。特别是，已原子形式分散在g-CN表面上的金属物质最近作为一类新的电催化剂引起了研究人员的极大兴趣，因其可以实现金属，特别是昂贵稀有的铂族金属，的最优利用。此外，原子分散的催化剂由于其独特的有利于催化的电子结构，还能够显著提高催化性能[1,5]。1） 作者成功把单原子Ir和Ru锚定在介孔g-CN上；2） 得到的单原子催化剂对电催化和光催化HER均表现出优异的本征活性和表观活性以及很好的稳定性； 3） DFT计算表明，在g-CN上负载Ir和Ru单原子会改变其电子结构，导致带隙减小并促进催化过程中的电子转移。▲图1 (a-c) Ir-g-CN和(d-f) Ru-g-CN的球差电镜表征。
要点1： 利用HAADF-STEM研究Ir-g-CN和Ru-g-CN的微观结构，其中在两个样品的g-CN载体中发现了许多介孔（图1a和1d），这将提供高表面积并能暴露出更多的催化活性位点。进一步放大倍率，可以观察到Ir和Ru原子在g-CN载体上的高度原子分散（如图1b、c、e和f所示)。▲图2 XRD、FT-IR和XPS进一步研究催化剂的晶体结构和化学组成。
要点2： 物理化学表征结果表明，引入Ir和Ru单原子不会改变g-CN的整体分子结构,但是会显着地扩大了样品的比表面积，更有利于暴露更多的活性位点并促进质量传输。其中的金属原子主要通过金属-氮键原子分散地锚定在g-CN表面。要点3： 光学表征结果表明原子分散的金属原子与g-CN之间的相互作用增强了光吸收，从而提高了光催化活性，可以有效抑制电子-空穴复合，促进光载流子的分离和转移。要点4： 引入原子分散的金属原子显著增强HER的活性，单原子形式分散不仅在保持良好的HER性能前提下降低贵金属利用率，而且提高了稳定性。值得一提的是，Ru-g-CN和Ir-g-CN同时表征出良好的本征活性和表观活性，对于催化剂的实际应用尤为重要。要点5： 将金属单原子作为助催化剂负载在g-CN上显著地提升了光催化活性，其中Ru-g-CN催化剂展示出非常高的光催化H2产率，为489.7 mmol H2 gRu-1 h-1，TOF值为50.4 h-1。要点6： DFT计算表明将金属单原子引入g-CN会显著改变所得到的Ir-g-CN和Ru-g-CN催化剂的电子结构，显著减小带隙、增加投影态密度，最终提高电催化和光催化活性。作者成功负载单原子Ir和Ru在g-CN上，它们可以作为高效稳定的HER催化剂用于电催化和光催化水分解。特别是Ru-g-CN在表观活性、质量活性和催化稳定性方面表现出优异的电催化性能。同时，Ru-g-CN还展现出色的光催化HER活性，具有489.7 mmol H2 gRu-1 h-1的高产氢率，以及良好的催化稳定性。总而言之，我们的实验结果得到了理论计算的支持，其中将Ir或Ru引入g-CN表面已被证明能够促进电子转移并导致氢吸附吉布斯自由能的优化，显著提高了电催化和光催化HER的性能。[1] Z. Yu, J. Xu, S. Feng, X. Song, O. Bondarchuk, J.L. Faria, Y. Ding, L. Liu, New J. Chem. 45 (2021) 5770-5774.[2] E.S. Da Silva, N.M.M. Moura, M.G.P.M.S. Neves, A. Coutinho, M. Prieto, C.G. Silva, J.L. Faria, Appl. Catal. B Environ. 221 (2018) 56-59.[3] X. Wang, K. Maeda, A. Thomas, K. Takanabe, G. Xin, J.M. Carlsson, K. Domen, M. Antonietti, Nat. Mater. 8 (2009) 76-80.[4] Y. Zheng, Y. Jiao, Y. Zhu, L.H. Li, Y. Han, Y. Chen, M. Jaroniec, S.Z. Qiao, J. Am. Chem. Soc. 138 (2016) 16174-16181.[5] X. Li, W. Bi, L. Zhang, S. Tao, W. Chu, Q. Zhang, Y. Luo, C. Wu, Y. Xie, Adv. Mater. 28 (2016) 2427-2431.Z. Yu, Y. Li, A. Torres-Pinto, A.P. LaGrow, V.M. Diaconescu, L. Simonelli, M.J. Sampaio, O. Bondarchuk, I. Amorim, A. Araujo, A.M.T. Silva, C.G. Silva, J.L. Faria, L. Liu, Single-atom Ir and Ru anchored on graphitic carbon nitride for efficient and stable electrocatalytic/photocatalytic hydrogen evolution. Appl. Catal. B Environ. (2022) 121318. DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121318.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337322002594刘利峰 终身研究员、团队负责人，现任职于葡萄牙伊比利亚国际纳米实验室。主要致力于纳米能源材料的制备、表征及其在电化学能源存储和转化方面的应用，团队目前的研究方向主要涵盖电化学催化、半导体光电化学、锂电池及超级电容器电极材料等。申请PCT专利3项（获批2项），发表SCI论文160余篇，累计被引用11000余次（H因子61，谷歌学术，2022年3月），在国际会议上做邀请报告40余次。目前担任Materials Today Energy、Advances in Nano Research、Applied Research 及Materials Futures编委。
目前评论：0