郭少军Nano Letters:碳去除诱导碳插层Ir金属烯双轴应变,有效调控HER催化性能

郭少军Nano Letters:碳去除诱导碳插层Ir金属烯双轴应变,有效调控HER催化性能

可再生能量转换和存储设备(如燃料电池和水电解槽)的应用受到越来越多的关注。然而,这些装置中的半反应过程缓慢,需要使用Pt族金属电催化剂以降低过电位和减少能量输入。在所有的Pt族金属基电催化剂中,由少数几个原子层组成的二维金属烯由于其独特的表面电子性质而引起了人们的广泛关注。受益于其亚纳米厚度,材料具有丰富的表面活性位点和超高的原子利用率,这有利于减少贵金属的使用和降低电催化剂的成本。同时,它们弯曲的形貌与石墨烯的结构相似,可以产生独特的表面应变,从而在电催化过程中产生独特的应变效应。

现阶段,通过合金化、单原子掺杂、空腔调控等策略,可以进一步改变金属烯的表面电子结构,从而优化其通过配体效应和系综效应与反应中间体的结合。但是,金属烯材料内在应变的调节在很大程度上仍然是未知的。因此,开发系统的合成方法,连续和精确地调整应变,并建立全面的应变-活性关系具有重要意义。

郭少军Nano Letters:碳去除诱导碳插层Ir金属烯双轴应变,有效调控HER催化性能

郭少军Nano Letters:碳去除诱导碳插层Ir金属烯双轴应变,有效调控HER催化性能

近日,北京大学郭少军课题组通过碳插层Ir金属烯上Cu2+的自催化还原,实现了对碳去除动力学的控制,使得能够精细调节碳插层浓度和在宽范围内连续调节(111)面内(−2.0%-2.6%)和面间(3.5%-8.8%)应变。所得Ir金属烯具有独特的析氢反应(HER)电催化性能,其电催化活性随晶格的收缩而增强。

其中具有最小晶格常数的弱应变Ir金属烯(w-Ir metalene)在−0.02 VRHE时的质量活性为2.89 A mg-1Ir,分别是商业Pt/C和Ir/C的3.6倍和5.6倍。同时,加速耐久性试验(ADT)显示,w-Ir metalene在5000次CV循环之后活性几乎未发生衰减,稳定性测试后材料的形貌和结构未发生明显变化。

郭少军Nano Letters:碳去除诱导碳插层Ir金属烯双轴应变,有效调控HER催化性能

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理论计算表明,随着Ir-Ir距离的减小,碳插层Ir金属烯的d带中心的位移逐渐减小,导致金属-H反键轨道的填充增加,从而减弱了Ir-H键,促进了更快的HER动力学;此外,研究发现碳掺杂对态密度(DOS)和d带中心的贡献可以忽略不计,表明各种碳层Ir金属烯的HER活性的调节归因于独特的双轴应变效应而不是配体效应。

综上,该项工作强调了应变工程对增强电催化的重要意义,为高效电催化纳米结构的合理设计提供了指导。

Carbon-extraction-induced biaxial strain tuning of carbon-intercalated iridium metallene for hydrogen evolution catalysis. Nano Letters, 2024. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04236

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