石墨炔诱导金属原子阵列可控生长实现高效海水氧化

原子异质界面精准构筑是实现新一代催化剂可控制备的一种理想途经。然而，传统的碳基异质界面的催化性能受限于其复杂而苛刻的制备过程所带来的无法确定的缺陷结构，严重制约了高性能催化材料的发展。

针对这一瓶颈问题，利用石墨炔可在任意基底可控生长的传统碳材料难以实现的独特优势，中国科学院化学研究所研究员、山东大学讲席教授李玉良院士和山东大学薛玉瑞教授发展了一种石墨炔/金属原子阵列异质界面控制生长的普适方法，通过石墨炔的原位生长成功实现了异质界面处金属原子位置的精准控制。他们发现，在界面上形成的强不完全电荷转移实现了界面电荷转移的动态平衡，这个结果导致在界面处产生了强的压应变。通过对石墨炔厚度的连续调控，研究者们实现了对界面压应变的连续调节，从而实现在宽范围内对催化性能的精确调控，获得了具有优异选择性、超高活性和稳定性的GDY/IrCuO_x催化剂：当界面压应变达到3.0％时，催化剂在碱性模拟海水中仅需283 mV的超低过电位即可产生1000 mA cm^-2的海水析氧电流密度，并在大电流密度下展现出优异的长期稳定性，性能远远优于其他已报道的海水析氧催化剂。

图1. 具有不同厚度GDY/IrCuO_x异质结催化剂的合成、结构与反应自由能图。

研究中利用石墨炔可在任意基底表面温和可控生长的特性，成功实现了石墨炔薄膜在铱铜氧化物表面的原位可控生长，获得了GDY/IrCuO_x异质结催化剂。他们的结果显示，在界面上形成的强不完全电荷转移实现了界面电荷转移的动态平衡，导致在界面处产生了强的压应变。理论计算结果显示，压应变的产生显著优化了关键中间体自由能，降低了体系反应能垒。

图2. 不同厚度GDY包覆的IrCuO_x界面上的定量应变分析。

通过调控反应条件可控合成了具有不同石墨炔厚度（1 nm、3 nm、16 nm和26 nm）的异质结催化剂，成功实现了对异质界面处金属原子位置的精准控制。他们的研究发现，在界面上形成的强不完全电荷转移实现了界面电荷转移的动态平衡，这个结果导致在界面处产生了强的压应变。定量应变分析结果显示，石墨炔厚度从1 nm增加到26 nm的过程中异质界面压缩应变首先从-1.4%增大到3.0%随后减小至2.6%/2.3%左右。石墨炔的厚度为3 nm时界面上产生最大的压应变（3.0%）。

图3. 具有界面应变的GDY/IrCuO_x异质结催化剂海水电解析氧性能。

电催化碱性海水氧析出测试结果显示，界面压应变能够显著改善催化剂的催化活性，且随着界面应变逐渐增大，催化活性逐渐提高。当界面压应变达到3.0％时（石墨炔厚度为3 nm），催化剂在碱性模拟海水中仅需283 mV的超低过电位即可产生1000 mA cm^-2的海水析氧电流密度，并在大电流密度下展现出优异的长期稳定性。

相关研究成果近期发表在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是山东大学齐璐博士。

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Controlled Growth of Metal Atom Arrays on Graphdiyne for Seawater Oxidation

Lu Qi, Yaqi Gao, Yang Gao, Zhiqiang Zheng, Xiaoyu Luan, Shuya Zhao, Zhaoyang Chen, Huimin Liu, Yurui Xue*, and Yuliang Li*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 5669–5677, DOI: 10.1021/jacs.3c14742

导师介绍

李玉良

https://www.x-mol.com/university/faculty/15487