类铂电子结构的钨原子簇催化剂用于碱性介质析氢反应

电化学能源科学与技术 2022-02-23

原子结构原子news

1808 字丨阅读本文需 9 分钟

第一次听说原位变温近常压XPS in-situ variable-temperature near ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy measurements这种技术,这在这篇文章的发表上功不可没。

有新合成

有新表征

有实验,有对标,是历史上第四小的过电位

有DFT仿真

看这样的文章是种享受。

但是好文章都是改出来的,这篇文章释放了三位匿名审稿人的评审问题与回复过程,三轮答辩,初始第二个审稿人的意见非常尖锐,直接表明拒绝。关键是第一审稿人的29个问题,是正向意见,把原文的笔误都挑了出来。三轮答辩过程文件竟然有63页。看高手过招,一会儿你觉得这边对,一会儿你觉得那边对,会学到很多东西。

Thermal migration towards constructing W-W dual-sites for boosted alkaline hydrogen evolution reaction

Zhigang Chen,

Yafeng Xu,

Ding Ding,

Ge Song,

Xingxing Gan,

Hao Li,

Wei Wei,

Jian Chen,

Zhiyun Li,

Zhongmiao Gong,

Xiaoming Dong,

Chengfeng Zhu,

Nana Yang,

Jingyuan Ma,

Rui Gao,

Dan Luo,

Shan Cong,

Lu Wang,

Zhigang Zhao &

Yi Cui

Nature Communications volume 13, Article number: 763 (2022)          

Abstract

Tungsten carbides, featured by their Pt-like electronic structure, have long been advocated as potential replacements for the benchmark Pt-group catalysts in hydrogen evolution reaction. However, tungsten-carbide catalysts usually exhibit poor alkaline HER performance because of the sluggish hydrogen desorption behavior and possible corrosion problem of tungsten atoms by the produced hydroxyl intermediates. Herein, we report the synthesis of tungsten atomic clusters anchored on P-doped carbon materials via a thermal-migration strategy using tungsten single atoms as the parent material, which is evidenced to have the most favorable Pt-like electronic structure by in-situ variable-temperature near ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy measurements. Accordingly, tungsten atomic clusters show markedly enhanced alkaline HER activity with an ultralow overpotential of 53 mV at 10 mA/cm2 and a Tafel slope as low as 38 mV/dec. These findings may provide a feasible route towards the rational design of atomic-cluster catalysts with high alkaline hydrogen evolution activity.

这篇文章的摘要写得很棒

碳化钨具有类铂的电子结构,在2000-2010年催化界风靡一时。来源于

Platinum-Like Behavior of Tungsten Carbide in Surface Catalysis

R. B. Levy and M. Boudart

Science • 10 Aug 1973 • Vol 181, Issue 4099 • pp. 547-549 • DOI: 10.1126/science.181.4099.547

Abstract

Tungsten carbide catalyzes the formation of water from hydrogen and oxygen at room temperature, the reduction of tungsten trioxide by hydrogen in the presence of water, and the isomerization of 2,2-dimethylpropane to 2-methylbutane. This catalytic behavior, which is typical of platinum, is not exhibited at all by tungsten. The surface electronic properties of the latter are therefore modified by carbon in such a way that they resemble those of platinum

但用于碱性介质析氢反应存在两大问题,原文

(i) compared to Pt catalysts, the stronger OH* binding
energies on tungsten carbides result in weak adsorption energies
for the neighboring H* intermediates in alkaline HER electrocatalysis
because of the strong trapping of free electrons by the
vacant 5d orbitals of W atoms that are bonded to the OH*
intermediates8,9; (ii) the strong affinity of OH* intermediates may
induce the gradual oxidation of W sites into inert WxOy species,
which seriously impedes their catalytic activity and long-term
durability10.

总结起来就是碳化钨亲OH,不亲H,会被氧化失活。

作者设计了这样的路线

通过原位变温近常压XPS证实了这种材料也具有类铂的电子结构。

在碱性溶液中的析氢反应中W-AC表现出色。

并使用准原位XPS技术分析了碱性溶液析氢反应后的催化剂。

并进行了DFT的仿真计算。

赵志刚

简历:

  中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,研究员,博士生导师,江苏省杰出青年基金获得者

  2000-2003年就读于中国科学院金属研究所攻读硕士学位,师从成会明院士。2003年7月开始获法国政府奖学金资助作为中国科学院金属研究所和法国巴黎高等工程大学 (Ecole Centrale de Paris)联合培养的博士研究生赴法国国家科学研究院(CNRS)联合培养 1 年半。2006 年博士毕业后先后在日本大阪大学和美国代顿大学做博士后工作。2007 年 12 月起开始在日本产业技术综合研究所任特任研究员,参与日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)重大项目。2011 年6月加入中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。

  主持中国国家自然科学基金3项,作为主要完成者参加了日本经济产业省属下的日本新能源和产业技术开发组织 (NEDO)的重大项目2项,韩国三星公司-大阪大学联合研发项目,日本本田公司-美国代顿大学联合研发项目。迄今共发表SCI论文60余篇,其中以第一作者或通讯作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano. Lett., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., Chem. Comm.等核心权威期刊上发表系列研究论文30余篇,多篇学术论文被国内外学术专著和综述性文章多次引用,并为一本英文专著发表英文章节,长期担任国际学术期刊Nat. Chem., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., JACS, Nano. Lett., ACS Nano, Chem. Comm., Sci. Rep.等杂志的特邀审稿人或仲裁审稿人,担任Annals of Material Science & Engineering、《稀有金属与硬质合金》等杂志的编委 (Editorial Board Member) ,担任国家自然科学基金评审专家、江苏省科技成果转化项目现场评审专家等。拥有日本和法国专利各一项,所发表的论文被国际同行引用1800余次,单篇最高被引用200余次。相关科研成果曾多次被中央电视台、科技日报(头版)、中国科学报、NPG Asia Materials、Wiley中国、凤凰网、产业新闻(日本)等众多媒体关注报道。

研究领域:

  1)钨基功能材料

  2)智能变色技术

  3)二维原子晶体材料的可控合成及光电应用

崔义

简历:

  2005年获得大连理工大学化工学院学士学位,2011年获得中科院大连化物所博士学位,师从包信和院士。同年前往德国柏林马普学会弗里兹-哈伯研究所(Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft) 从事博士后研究工作,期间于2012年至2013年获得洪堡奖学金支持。2015年8月正式加入中科院苏州纳米所,受聘为研究员。目前正在参与筹建纳米真空互联实验站 (NANO-X),主要负责在纳米能源与表面催化系统展开相关科研工作。

  主要成果:

研究领域:

  利用现代表面科学研究方法,通过原位构建模型催化体系,对现代化工能源领域内关键的催化反应机理进行研究;通过原位生长氧化物,III-V族化合物,研究其物化性质与光电特性的关联;从微观尺度上研究二维材料的生长机理、缺陷形成机制、表面化学性质及其对材料光电性能的影响。

  目前研究手段主要有分子束外延生长(MBE)、近常压X射线光电子能谱(NAP-XPS)、近常压扫描隧道显微镜(NAP-STM)、光发射电子显微镜(PEEM)和红外近场光学显微镜(IR-SNOM)。

  招生方向:氧化物、二维材料等薄膜材料的制备表征;模型催化体系的表界面研究


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