同步辐射原位谱学跟踪催化活性位点结构变化取得进展

发布时间:2020-11-13

在催化反应中,反应活性位点的原子和电子结构由于受环境的影响,会发生可逆重组,这些中间态结构往往是影响催化剂性能的关键。因此,在工作条件下实时监测催化剂的活性位原子和电子的动态变化过程是催化剂理性设计的前提。基于此,中国科学技术大学国家同步辐射实验室姚涛教授课题组发展多种原位同步辐射谱学技术,并结合近边模拟解析了反应活性位结构在电催化能量转换反应中的变化机制。

单原子合金中是调控双金属纳米颗粒的原子和电子结构的一种行之有效的方法原位研究工作状态下单原子合金的表面结构重组行为,对于设计开发新型高性能催化剂具有重要意义。姚涛教授课题组利用原位X射线吸收谱技术,揭示了Au纳米颗粒表面的Cu单原子在电场驱动下的动态迁移行为(图1),发现在一定的还原电位下,Cu单原子从纳米颗粒顶角位点迁移到更加稳定的(100面内。近边拟合计算进一步证实了Cu单原子这一动态迁移过程研究成果以“Dynamic surface reconstruction of single-atom bimetallic alloy under operando electrochemical conditions”为题发表在国际纳米著名期刊纳米快报Nano Letters 2020, 20, 8319)。论文的第一作者是中国科大博士生刘潇康,通讯作者是中国科大教授姚涛和特任副研究员丁韬。

图1. 单原子Cu催化剂原位同步辐射表征表面动态迁移过程

同时,姚涛教授研究团队选取结构均的单原子Fe基催化剂作为研究对象,利用原位X射线吸收谱技术,监测到Fe单原子在电场驱动下的动态迁移行为(图2a),发现工作条件下金属单原子Fe基底相互作用减弱,结构优化具有更多d电子,有效地促进Fe位点对于反应中间态的吸附,从而使催化剂具有优异的析氢活性相关研究成果以“Active Sites of Single-Atom Iron Catalyst for Electrochemical Hydrogen Evolution”为题发表在国际物化著名期刊物理化学快报上(J. Phys. Chem. Lett. 2020,11, 6691-6696)。与此同时,研究团队通过设计一种高结晶态NiS催化剂,结合X射线吸收谱分析,发现了 Ni-S杂化不仅提供有益的电子结构促进水的吸附解离,还显著增强在酸性介质的抗腐蚀性最终表现出优异的催化活性和稳定性(图2b),为今后酸性质子交换膜电解水催化剂的设计提供新思路。相关研究结果以“Strong Ni-S Hybridization in a Crystalline NiS Electrocatalyst for Robust Acidic Oxygen Evolution”为题发表在《物理化学J. Phys. Chem. C 2020, 124, 2756-2761。以上论文的第一作者是中国科大博士生王兰。

图2. 单原子Fe催化剂(a)及高结晶态NiS(b)的同步辐射表征

该研究得到了科技部重点研发计划中科院青年创新促进会专项资金国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助也得到了合肥国家同步辐射实验室、北京同步辐射装置和上海同步辐射光源测试机时的支持。



论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03475

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c01943

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.9b09796