晶格应变和肖特基结双调节增强N改性碳上超细Ru纳米颗粒催化剂制氢

水裂解制氢是一种方便、环保的方式，原料取之不尽，无污染，是未来氢能发展的重点。利用可再生能源进行电催化水裂解的主要挑战之一是开发更高效的析氢反应（HER）催化剂。由于较低的价格和合适的金属-氢（M-H）键能，钌（Ru）基材料是昂贵的铂（Pt）基HER催化剂最有潜力的替代品之一。然而，如何获得最佳的H吸附能以提高其本征活性仍是一个悬而未决的问题。近日，清华大学李亚栋院士（点击查看介绍）团队利用晶格应变和肖特基结双调节策略调节Ru催化剂的电子密度和氢吸附，从而增强HER活性。该研究成果发表于Journal of the American Chemical Society。

调整金属和载体之间的相互作用可以有效提高催化性能。固定在氮改性碳材料上的金属纳米颗粒被认为是很有前景的HER催化剂，因为其界面效应和由此产生的电子结构是可调的。通过晶格应变效应调整活性物种（通常是金属颗粒）的表面应变，可以改变催化剂的d带中心，优化催化过程中反应中间体的吸附能。此外，由于N修饰碳载体和金属纳米颗粒的费米能级不同，界面处的肖特基结可能会引起电荷转移和电荷密度变化，并伴随带弯曲和进一步肖特基势垒的形成。由此可见，晶格应变和肖特基结的双重调节可能是构建和调控活性中心、加速电荷转移、改善反应物吸附并最终优化某些催化反应活性的有效策略。

李亚栋院士团队采用简便的方法制备了一种新型肖特基催化剂，该催化剂将具有晶格压缩应力的超细Ru纳米颗粒负载在氮改性碳纳米片（Ru-NPs/NC）上，用于高效的析氢反应（HER）。晶格应变和肖特基结双重调节确保具有适当氮含量的Ru NPs/NC催化剂在碱性介质中表现出极好的析氢性能。特别地，具有1.3%晶格压缩应变的Ru NPs/NC-900展现出优越的HER活性和稳定性。原位X射线吸收精细结构（XAFS）测试揭示了HER期间催化活性中心的结构演变。此外，多重光谱分析和密度泛函理论（DFT）计算表明，晶格应变和肖特基结双重效应调节活性中心的电子密度和氢吸附，增强了HER活性。该策略为设计先进的电催化制氢材料提供了一个新思路。

图1. Ru NPs/NC的合成和应力分析

图2. Ru NP/NC的电子结构和局部原子配位环境表征

图3. Ru NPs/NC的HER催化活性和原位XAS测试

图4. Mott-Schottky效应对Ru NPs/NC催化性能的影响

图5. 理论计算

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Lattice Strain and Schottky Junction Dual Regulation Boosts Ultrafine Ruthenium Nanoparticles Anchored on a N‑Modified Carbon Catalyst for H₂ Production 

Zhuoli Jiang, Shaojia Song, Xiaobo Zheng, Xiao Liang, Zhenxing Li,* Hongfei Gu, Zhi Li, Yu Wang, Shuhu Liu, Wenxing Chen,* Dingsheng Wang, and Yadong Li*

J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 19619–19626, DOI: 10.1021/jacs.2c09613

导师介绍

李亚栋

https://www.x-mol.com/university/faculty/12007