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华中科技大学王得丽&赵旭团队：Pd原子锚定加速硒化钴析氢反应

邃瞳科学云

2021-05-06

导读：本文通过将Pd原子锚定在硒化钴纳米带表面对催化剂表面在HER过程中的水分子吸附、裂解以及氢吸附能力进行了系统性调控，进而显著提升碱性HER的反应动力学过程。

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研究背景

碱性条件下的析氢反应(HER)是工业水电解和氯碱工业大规模制氢的关键反应。碱性HER涉及水吸附、水裂解和氢吸附等多步反应过程，导致了碱性条件下HER反应动力学迟缓。同时调控水吸附、水裂解和氢吸附三个过程，实现高性能低成本的碱性HER催化剂的制备仍是一个巨大的挑战。因此，围绕储量丰富的过渡金属开发高活性的碱性HER催化剂具有重要意义。

全文速览

近日，华中科技大学的王得丽教授、赵旭副教授团队与中国科学技术大学的杨金龙院士团队合作，将Pd原子锚定于CoSe₂纳米带表面实现对碱性HER中水的吸附、裂解以及氢吸附过程的调控，进而显著提升硒化钴的析氢动力学，为设计具有可调控催化反应动力学的电催化剂提供了一种原子级设计策略。该文章发表在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上。华中科技大学赵旭副教授为本文第一作者。中国科学技术大学李向阳博士为本文共同第一作者。

图文解析

在文章中，作者首先提出了Pd原子锚定的硒化钴纳米带的合成策略，即通过控制Pd前驱体的还原速率有效实现Pd原子的锚定（图1a-c）。HAADF-STEM图以及元素Mapping证明了Pd₁-CoSe₂中Pd、Co、Se元素的存在及均匀分布（图1d,e）。

图1 Pd₁-CoSe₂的(a)合成示意图，(b) TEM图，(c) HRTEM图，(d) HAADF-STEM图，(e) HAADF-STEM图和元素分布图

通过对Pd₁-CoSe₂的碱性HER性能进行分析，可见随着Pd原子的锚定，催化剂的HER活性得到显著提升。Pd₁-CoSe₂的析氢过电位相较于纯CoSe₂降低了80 mV。其Tafel斜率也仅为92 mV/dec, 相较于纯CoSe₂的161 mV/dec的Tafel斜率，体现出显著提升的析氢反应动力学。

图2 Pd₁-CoSe₂的碱性HER性能。(a)极化曲线，(b)电流密度比较，(c)Nyquist图，(d)Tafel图。

DFT计算结果表明，Pd原子可有效调节CoSe₂表面Co位点的能带结构（图3a），增强水吸附并加速水的裂解（图3b, 3c），为后续HER步骤提供充足氢原子；同时，Pd在CoSe₂上的锚定使得H在Co-Pd位点的吸附自由能显著降低（图3d），从而加速HER反应动力学。

图3.（a）Pd₁-CoSe₂和CoSe₂的态密度变化；（b）Pd₁-CoSe₂和CoSe₂表面水吸附能对比；（c）Pd₁-CoSe₂和CoSe₂表面水裂解能对比；（d）Pd₁-CoSe₂和CoSe₂中H吸附自由能对比；（e）Pd₁-CoSe₂和CoSe₂的电荷密度分布；（f）不同Pd含量的Pd₁-CoSe₂活性面积比较。

小结

本文通过将Pd原子锚定在硒化钴纳米带表面对催化剂表面在HER过程中的水分子吸附、裂解以及氢吸附能力进行了系统性调控，进而显著提升碱性HER的反应动力学过程。这种原子尺度的界面调控策略为设计高活性的电催化剂提供新的思路。

文献来源

Xu Zhao, Xiangyang Li, Dongdong Xiao, Mingxing Gong, Lulu An, Pengfei Gao, Jinlong Yang, Deli Wang,Isolated Pd atom anchoring endows cobalt diselenides with regulated water-reduction kinetics for alkaline hydrogen evolution, Appl. Catal. B: Environ.,2021, DOI:10.1016/j.apcatb.2021.120280

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321004069?via%3Dihub

作者介绍

赵旭，华中科技大学副教授，博士生导师。2018年博士毕业于中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心（师从曾杰教授），2019年底加入华中科技大学化学与化工学院。主要研究方向为金属基纳米材料的精细设计与电催化机理研究。迄今为止，已在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，J. Catal.，Appl. Catal. B: Environ.等国际高影响力期刊发表论文14篇。申请中国专利4项。部分研究成果被《Science Foundation in China》、《物理化学学报》等刊物进行亮点报道，并被《人民日报（海外版）》、《光明日报》等多家国内主流媒体关注。曾获中国科学院院长优秀奖、硕士/博士研究生国家奖学金、中国科学技术大学优秀毕业生、安徽省品学兼优毕业生。现担任《Chinese Chemical Letters》青年编委。

http://faculty.hust.edu.cn/catalysis_zhaoxu

王得丽，华中科技大学教授，博士生导师。主要研究方向为能量转换与存储材料的设计以及性能优化。迄今为止，在国内外知名学术期刊上发表论文100余篇，主要包括Nat. Mater.，Nat. commun.，J. Am. Chem. Soc.，Nano Lett.，ACS Nano，Energy Environ. Sci.等化学、材料、电化学领域国际知名期刊。论文被Nature Materials、JACS、Nano Letters等期刊引用5000余次，并且被Science Daily、Science Now、C&E News等多家新闻媒体以及MRS Bulletin作为亮点工作报道。获授权中国发明专利5项，美国授权发明专利2项。担任《储能科学与技术》和《Nano Materials Science》编委，《Chinese Chemical Letters》青年编委，以及加拿大国际电化学能源科学与技术研究院青年委员。

http://deli.chem.hust.edu.cn/info/1012/1103.htm

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