eChemStore 碳中和產學研 2024年09月18日 11:30 北京
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論文擬解決的關鍵挑戰：
碳基框架不可避免地存在拓撲缺陷，其內在或外在缺陷可以顯著改變碳層的電中性，從而導致不同的電化學性能，但其內在的電催化活性和機制尚不清楚。內在五邊形缺陷有可能成為有效的氧還原反應(ORR)活性位點。但其是否在析氫反應(HER)中作為活性位點發揮重要作用尚不清楚。此外，五邊形缺陷與錨定金屬之間的具體相互作用也是一個謎。
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圖文簡介：
針對上述挑戰，武漢理工大學的木士春研究員和朱加偉博士等人在Angewandte Chemie International Edition發表論文，該團隊從理論和實驗兩個方面系統地研究了碳中的五邊形環的反應性。理論計算表明，五角形環作為基面上的拓撲缺陷，可以收縮帶隙，優化p帶中心，使碳基體具有中等的析氫反應(HER)活性。
為了提高反應性，作者通過C和Ru原子之間的p-d軌道雜化將Ru簇與富五方環碳(PRC)偶聯(Ru@PRC)，從而驅動電子從Ru簇向五邊形環快速轉移。缺電子的Ru導致Ru的d帶中心發生了明顯的負位移，減弱了它們與氫中間體的結合強度，從而提高了HER在不同pH介質中的活性。
在電流密度為10 mA cm-2時，PRC大大降低了堿性HER過電位，從540 mV降至380 mV。Ru@PRC甚至表現出28和275 mV的低過電位，分別達到10和1000 mA cm-2的電流密度。令人印象深刻的是，在過電位為50 mV時，Ru@PRC的質量活性是Pt/C的7.83倍。
本研究為碳納米材料的拓撲缺陷組裝和產氫提供了有力的指導，并對富缺陷碳基材料的內在相互作用和催化活性來源有了深入的了解。
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修改于2024年09月21日