实验室木士春教授在异质界面电子调控机制研究方面取得重要成果

发布时间:2022-07-22 16:17

近日,我校新葡萄娱乐进路网址是木士春教授课题组联合广东佛山仙湖实验室在异质结构界面内建电场(BEF)诱导机制研究方面取得重要进展,研究成果已在国际化学顶级期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie)上在线发表。

目前,铂(Pt)族金属,特别是Pt,作为催化剂,在电解水析氢反应(HER)以及整个能源转换电催化领域中起着至关重要的作用。但其价格高昂且资源稀缺,难以产业化和推广应用。因此,人们正致力于非Pt析氢催化剂的开发。然而,时至今日,收效甚微,尤其是在酸性介质中。金属锇(Os)在铂族金属的6个成员(Pt、Ir、Rh、Pd、Ru、Os)中价格最便宜,但由于Os的吸附较强,并不利于析氢等电催化反应。因此,有必要对Os的电子结构进行调制以优化氢吸附,使其析氢反应活性达到或超过Pt的水平。

近期,他们通过密度泛函理论(DFT)计算发现,功函数(WF)作为反映电子逃逸能力的参数,决定了Os-OsSe2异质结构界面内建电场和电荷转移的方向。同时,在内建电场的驱动下,硒(Se)作为一种可控的电荷调制器,促进了Os和OsSe2氢键结合能的双向优化,使Os-OsSe2异质结构拥有高本征活性的析氢反应位点,从而加速了电化学裂解水析氢反应动力学。通过在界面电化学析氢反应中引入功函数,不仅可以从根本上阐明电子转移和界面平衡的内在驱动机制,而且也很好地说明了异质结构电催化剂析氢反应的活性起源。

为了证明理论预测的精准性,他们利用熔盐法首次构建了相比例可调节的Os-OsSe2异质结构电催化剂,并结合电化学性能测试确定了电催化剂的构效关系。所构建的Os-OsSe2异质结构在酸性和碱性介质中驱动10 mA cm-2的电流密度分别只需26和23 mV的过电位,表现出优于商业Pt催化剂的析氢反应活性,而且Os-OsSe2和商用RuO2(钌价格仅高于锇)组装而成的全水解装置在太阳能的驱动下实现了有效产氢。

该工作深入解析了异质界面引起的电子转移和电荷平衡效应的内在驱动机制,并据此提出了电催化剂的电子结构优化策略,而且还进一步丰富了铂族金属催化剂的研究体系。今后,Os作为Pt族最具有价格竞争优势的成员无疑将会倍受关注。研究成果对电催化机制及其他催化材料的设计与构筑具有重要的启示意义。该项研究获得了国家自然科学基金(No. 22075223, No. 22179104)等项目的支持。

论文链接:Work-function-induced Interfacial Built-in Electric Fields in Os-OsSe2 Heterostructures for Active Acidic and Alkaline Hydrogen Evolution

https://doi.org/10.1002/anie.202208642




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