浙大|孙文平课题组Nano Letters：h-BN作为电催化剂的多功能载体，实现高效的氧还原反应- 大数跨境

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浙大|孙文平课题组Nano Letters：h-BN作为电催化剂的多功能载体，实现高效的氧还原反应

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2020-08-27

导读：该工作通过在超薄h-BN纳米片上包覆Pd纳米颗粒，设计并合成了具有良好活性和长期耐久性的h-BN/Pd异质结构电催化剂。实验结果和理论计算表明，h-BN和Pd之间的强相互作用使Pd的d带中心降低，从而

第一作者：Yaping Chen，Jinyan Cai

通讯作者：孙文平

单位：浙江大学

研究背景

贵金属纳米颗粒（NPs）由于具有大的表面体积比和贵金属的高利用率一直是催化领域中研究的重点。一般通常将贵金属NP负载在载体上，以减轻它们的聚集并借助NPs与载体之间的强耦合实现长期的耐久性。虽然载体在调节和稳定NPs发挥关键作用,目前还缺乏开发新型功能载体和调控功能载体物理化学性质的研究。

石墨烯类二维（2D）六方氮化硼（h-BN）由于其宽带隙（低电导率）和电化学惰性，在电催化领域并没有引起强烈的关注。然而，h-BN是一种在恶劣环境下具有优异化学稳定性和抗氧化/腐蚀能力的化合物，这表明h-BN可以作为一个强大的载体限制活性贵金属NPs，在构建耐用的异构催化剂方面具有很大的潜力。

文章简介

近日，浙江大学孙文平研究员课题组在国际顶级期刊Nano Letters (影响因子：11.238) 上发表题为“Hexagonal Boron Nitride as a Multifunctional Support for Engineering Efficient Electrocatalysts towards Oxygen Reduction Reaction”的研究工作。

该工作通过在超薄h-BN纳米片上包覆Pd纳米颗粒，设计并合成了具有良好活性和长期耐久性的h-BN/Pd异质结构电催化剂。实验结果和理论计算表明，h-BN和Pd之间的强相互作用使Pd的d带中心降低，从而优化了与反应中间体的亲和力。同时，h-BN还赋予了异质结催化剂超疏水表面，促进了O2的扩散动力学。这些发现为界面工程在电催化应用中合理设计和开发异质结构催化剂开辟了一条新的途径。

该文章共同第一作者浙江大学的Yaping Chen和中国科学技术大学Jinyan Cai

孙文平研究员为本文通讯作者

要点解析

要点一：样品的制备及表征

图1.

（a）h-BN剥落和h-BN/Pd和制备h-BN/C/Pd的示意图。

（b）h-BN/C/Pd:17的TEM（插图：Pd-NPs的粒度分布）。

（c）h-BN/C/Pd:17的HRTEM，（插图：对应的FFT图像）。

（d）Pd-NPs（I和II）和h-BN/C/Pd:17（III和IV）的 HRTEM图像和强度分布。

要点二：利用XPS分析表面化学价态，利用XANES，EXAFS探究异质结构中Pd的局部电子结构

图2.

（a） Pd-NPs和h-BN/C/Pd:17的Pd-3d谱。

h-BN/c和h-BN/c/Pd：17的B 1s和N 1s的（b-c）XPS谱。

（d）在Pd K-edge附近的透射模式下测得的XANES光谱和（e）虚线矩形的相应放大视图。

（f） Pd-k edge k3加权EXAFS振幅。

要点三：对制备的h-BN、h-BN/C/Pd:10、h-BN/C/Pd:17、h-BN/Pd:17+C、Pd-NPs和市售Pd/C的电化学性能进行了比较

图3.

（a）在1600 r.p.m.下的LSV曲线；

（b）样品的半波电位和ECSA。

（c）样品在0.9V vs. RHE下的质量活度和比活度，分别用Pd的质量和ECSA标准化。

（d）从400到2025 r.p.m测量的LSV曲线和（e）计算的电子转移数。

（f） h-BN/C/Pd:17在氧饱和0.1M KOH下10000次循环前后的LSV曲线。

（g）异质结构润湿状态示意图，分别显示空气和水中的超疏水表面。

（h） h-BN/C/Pd:17、h-BN、h-BN/C和Pd NPs的接触角测量。

（i） h-BN/C/Pd：1710000次循环后的TEM图像。

要点4：利用DFT计算揭示h-BN对h-BN/Pd：17 ORR性能的影响

图4.

（a）Pd和h-BN/Pd原子构型的优化。

（b）h-BN/Pd的电荷密度差（红色区域：电荷积累，绿色区域：电荷耗尽）。

（c）在U=0v和NHE时的自由能图。

（d）Pd和h-BN/Pd的部分态密度，其中的值表示Pd d带中心的位置。

结论

研究人员通过将Pd纳米颗粒（NPs）限制在超薄的h-BN纳米片上，设计并合成了具有高活性、持久寿命的h-BN/Pd异质结构电催化剂。坚固的h-BN充当耐用载体，可保持异质结构电催化剂的结构完整性。

实验结果和理论计算结果表明，h-BN和Pd之间的强相互作用使Pd 的d带中心下移，从而优化了与反应中间体的亲和力。同时，h-BN还赋予了异质结构电催化剂超疏水表面，促进了O2的扩散动力学。

研究结果为通过界面工程实现具有优异电催化性能的异质结构催化剂的合理设计和开发开辟了一条新的途径。

文章链接:

Hexagonal Boron Nitride as a Multifunctional Support for Engineering Efficient Electrocatalysts towards Oxygen Reduction Reaction

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02782

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导师简介:

孙文平 浙江大学研究员、博士生导师

孙文平，分别于2008年和2013年在中国科学技术大学材料科学与工程系获学士和博士学位。曾获中科院优秀博士学位论文奖和Australian Research Council (ARC) Discovery Early Career Researcher Award (DECRA)。2013-2016年，先后在新加坡南洋理工大学和澳大利亚伍伦贡大学开展博士后研究工作。2016年在ARC资助下开始在伍伦贡大学开展独立科研工作，已先后指导博士研究生、博士后以及联合培养博士生多名，主持及共同主持4项ARC研究项目。2020年加入浙江大学材料科学与工程学院。长期从事电化学能源转换与存储器件及关键材料的研究（燃料电池、电解水制氢、新型二次电池等），已在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Letters等期刊以通讯作者或第一作者发表论文70余篇，论文累计被引6700余次，H-index 45 (Google Scholar)。先后受邀为Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A等期刊撰写综述论文多篇。担任Frontiers in Chemistry (Electrochemistry Section)和Materials for Renewable and Sustainable Energy期刊编辑(Associate Editor), Chemistry-An Asian Journal客座编辑以及中国化学快报(Chinese Chemical Letters)青年编委。长期担任ARC、SNSF等项目评审人，以及Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Science Advances, Joule, Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Catalysis, Nano Energy, ACS Nano, Chem. Sci.等60余个主流学术期刊审稿人。