揭開催化材料在實(shí)際工作狀態(tài)中的真實(shí)面紗

    文章來源： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)       發(fā)布時(shí)間：2019-01-03

    利用光電能量驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)可再生能源的有效轉(zhuǎn)化，是構(gòu)建現(xiàn)代綠色能源的關(guān)鍵技術(shù)。催化材料能夠加速并高效完成能量的轉(zhuǎn)化，并且催化反應(yīng)過程往往都是發(fā)生在材料的表界面。因此，探明在服役狀態(tài)下催化材料的表界面原子和電子的動(dòng)態(tài)變化過程以及能量轉(zhuǎn)化機(jī)制具有重要意義。

   在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的電催化能量轉(zhuǎn)化反應(yīng)環(huán)境中，由于催化材料與電解質(zhì)溶液接觸的固-液表界面處的活性中心和吸附反應(yīng)物的濃度極低、以及活性位原子結(jié)構(gòu)隨外加電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，給探測(cè)真實(shí)反應(yīng)活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和中間過渡態(tài)造成了很大的困難和挑戰(zhàn)。高亮度的先進(jìn)同步輻射光源為研究這一亟待突破的電催化能量轉(zhuǎn)化機(jī)制問題提供了契機(jī)，高度靈敏的同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜學(xué)(XAFS)技術(shù)就能夠在工作服役條件下對(duì)上述科學(xué)問題進(jìn)行原位實(shí)時(shí)的在線探測(cè)。

    近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室教授韋世強(qiáng)、姚濤課題組與化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授楊金龍課題組合作，發(fā)展了原位同步輻射XAFS技術(shù)結(jié)合理論計(jì)算，精確鑒別出鈷基催化劑在電催化析氫反應(yīng)過程中活性位點(diǎn)的真實(shí)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)演化過程，研究成果于2019年1月1日在線發(fā)表在《自然-催化》期刊上(Nature Catalysis DOI:10.1038/s41929-018-0203-5)。

    圖片說明：催化材料（下）幫助水分子分解出氫分子，同步輻射儲(chǔ)存環(huán)中引出來一束電子束（圖左），照在材料反應(yīng)的表面，將這個(gè)過程精細(xì)反映出來，即圖片上方的水滴中催化材料活性位發(fā)生的水解氫過程。/美術(shù)設(shè)計(jì)：崔劼

    研究團(tuán)隊(duì)依托合肥、北京和上海同步輻射光源建立了在線Operando XAFS測(cè)試裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高度均一的鈷基單原子催化材料在堿性電催化析氫反應(yīng)環(huán)境下原子和電子結(jié)構(gòu)的演變過程。研究人員觀察到，在反應(yīng)過程中該催化材料并非始終維持初始的“Co1-N4”結(jié)構(gòu)，而是先進(jìn)行自我優(yōu)化，吸附溶液中的氫氧根離子形成高氧化態(tài)的“HO-Co1-N2”活性中心，隨著電位的增加，水吸附到活性中心生成“H2O-(HO-Co1-N2)”反應(yīng)中間體。理論計(jì)算證實(shí)了這些中間體構(gòu)型并進(jìn)一步揭示了反應(yīng)的機(jī)理。性能實(shí)驗(yàn)表明，此高活性的催化材料在析氫反應(yīng)中僅需89 mV過電位即可達(dá)到10 mA·cm-2的電流密度，性能和穩(wěn)定性均已接近目前商業(yè)貴金屬鉑碳納米催化劑，展現(xiàn)了其潛在的應(yīng)用前景。

    此項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用原位同步輻射譜學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)了活性位在電催化反應(yīng)過程中的高度敏感性，揭開了催化材料在實(shí)際工作狀態(tài)中的真實(shí)面紗。這種原位同步輻射譜學(xué)技術(shù)同樣適用于研究其它光電能量轉(zhuǎn)化反應(yīng)中催化材料表界面的動(dòng)態(tài)過程，此發(fā)現(xiàn)也為從原子尺度探究催化活性中心結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)，并為今后設(shè)計(jì)高效的能量轉(zhuǎn)化材料提供了新的思路。

    中國(guó)科大博士生曹林林、特任副研究員羅其全和博士后劉煒是論文的共同第一作者。該研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)專項(xiàng)資金等的資助。

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