空心N摻雜多孔碳/Ru團(tuán)簇催化劑具有增強(qiáng)的d-p軌道雜化效應(yīng)和氫擴(kuò)散作用，促進(jìn)析氫反應(yīng)（HER）
原創(chuàng) 木士春教授團(tuán)隊(duì) eChemStore 2025年02月15日 09:31 上海
第一作者：李瑞冬，趙宏宇
通訊作者：木士春，余軍
通訊單位：武漢理工大學(xué)
Doi:10.1039/D4SC08498E
1. 全文速覽
本文依次通過直接碳化空心金屬有機(jī)框架（H-MOFs）、HF蝕刻和錨定釕（Ru）團(tuán)簇，構(gòu)建了一種氮（N）摻雜的中空碳（H-NPC）負(fù)載Ru團(tuán)簇（c-Ru@H-NPC）催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，空心結(jié)構(gòu)并不會(huì)改變Ru的配位數(shù)，但會(huì)使Ru出現(xiàn)更多的電子傳遞，增強(qiáng)了d-p軌道雜化效應(yīng)。有限元法（FEM）模擬進(jìn)一步表明，中空結(jié)構(gòu)會(huì)加速H2擴(kuò)散。由于N增強(qiáng)的d-p雜化效應(yīng)及碳載體的分級(jí)中空結(jié)構(gòu)，c-Ru@H-NPC在堿性和堿性海水介質(zhì)中分別僅需10和12mV即可驅(qū)動(dòng)10 mA cm-2的電流密度，表現(xiàn)出極高的析氫反應(yīng)（HER）催化活性。
2. 背景介紹
HER在堿性介質(zhì)中動(dòng)力學(xué)較為緩慢，需要使用貴金屬催化劑才能獲得較高的催化性能，而合理的載體設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)低劑量貴金屬高催化活性的關(guān)鍵。空心金屬有機(jī)框架（H-MOFs）材料由于其在碳化過程中能夠保持特定的形貌和結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)與實(shí)心碳材料相比，空心碳材料具有更快的物質(zhì)傳輸、更多暴露的活性位點(diǎn)和更高的比表面積，在電化學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。Ru由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的吸附中間體的能力，對(duì)HER表現(xiàn)出較高的活性。如果將分級(jí)MOFs衍生的碳載體與Ru通過強(qiáng)金屬-載體相互作用（SMSI）以誘導(dǎo)軌道雜化，調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)自旋-軌道分裂，有可能進(jìn)一步提高Ru的本征活性。此外，在Ru@MOFs衍生碳體系中引入雜原子（如N原子）則可調(diào)整Ru和C的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)了Ru-C的d-p雜化效應(yīng)，有利于HER。
3. 本文亮點(diǎn)
然而，如何精確合成空心碳納米籠，以及如何調(diào)節(jié)金屬與載體之間的相互作用以優(yōu)化HER性能仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。通過載體調(diào)控和機(jī)理研究探索二者的相互作用是解決上述問題的有效方法。因此，本文通過直接熱解分級(jí)中空UiO-66-NH2（H-UiO-66-NH2）制備出一種由氮摻雜碳（NC）和表面起皺的ZrO2組成的碳基復(fù)合材料；隨后，采用HF溶液對(duì)其進(jìn)行處理，得到中空氮摻雜多孔（H-NPC）；然后，錨定Ru簇，得到保持原MOFs形貌和微/介孔的c-Ru@H-NPC催化劑。通過有限元法模擬表明，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空腔可被視為產(chǎn)生更多H2的納米反應(yīng)器，并迅速達(dá)到飽和，從而促進(jìn)氫氣向外擴(kuò)散。密度泛函理論（DFT）計(jì)算結(jié)果和原位拉曼光譜進(jìn)一步證實(shí)了N摻雜增強(qiáng)了d-p雜化效應(yīng)，從而促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移，優(yōu)化了電子結(jié)構(gòu)，使得c-Ru@H-NPC在堿性和堿性海水介質(zhì)中對(duì)HER都表現(xiàn)出很高的活性和耐久性。
4. 圖文解析
材料表征
Fig. 1 SEM image of UiO-66-NH2 (a), c-Ru@NPC (b) and c-Ru@H-NPC (c), (d) (g) TEM image of c-Ru@NPC and c-Ru@H-NPC, (e) (h) high-resolution TEM image of c-Ru@NPC and c-Ru@H-NPC, (f) (i) ac-STEM image of c-Ru@NPC and c-Ru@H-NPC, (j) (k) HAADF-STEM image and corresponding EDS mapping images of N, C, Ru and O of c-Ru@NPC and c-Ru@H-NPC.
制備得到的主催化劑c-Ru@H-NPC與初始UiO-66-NH2相比形貌未發(fā)生明顯變化。球差電鏡表明空心結(jié)構(gòu)不影響Ru團(tuán)簇在N摻雜碳基體上的存在狀態(tài)；而主樣品中Ru團(tuán)簇相較對(duì)比樣c-Ru@NPC中更小，具有更高的比表面積和更強(qiáng)的水解離能力，使得c-Ru@H-NPC更有利于催化反應(yīng)。
Fig. 2 (a) XRD patterns of various samples, (b) high-resolution Ru 3p XPS spectra, (c) N 1s XPS spectra, (d) N2 adsorption-desorption isotherms and (e) corresponding pore size distribution, (f) EPR spectra of c-Ru@H-NPC, H-NPC, NPC and commercial Ru/C. (g) XANES, (h) EXAFS spectra and (i-l) wavelet transform (WT) analyses of Ru foil, RuO2, c-Ru@H-NPC and c-Ru@NPC.
c-Ru@NPC和c-Ru@H-NPC的XRD中未發(fā)現(xiàn)Ru的特征峰，這歸因于Ru以團(tuán)簇的形式存在。通過N2吸附等溫線和相應(yīng)的孔徑分布曲線也證實(shí)了空心c-Ru@H-NPC的分級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)。與初始UiO-66-NH2相比，丙酸處理后得到空心MOFs后的介孔含量大幅增加。經(jīng)碳化并去除ZrO2后，實(shí)心N摻雜多孔碳（NPC）和分級(jí)H-NPC的表面積都大幅增加，而在加入高度分散的Ru團(tuán)簇后，它們的表面積略有損失，并保持了之前的孔隙結(jié)構(gòu)。通過XPS分析則表明N的摻雜使得c-Ru@H-NPC中Ru向載體中轉(zhuǎn)移了更多電子，加強(qiáng)了雜化效應(yīng)。電子順磁共振譜（EPR）證實(shí)了c-Ru@H-NPC內(nèi)部d-p雜化的存在和N的摻雜增加了催化劑的缺陷。同步輻射表征亦進(jìn)一步證明電子從Ru團(tuán)簇轉(zhuǎn)移到N摻雜的碳載體上，且空心結(jié)構(gòu)不會(huì)改變Ru的配位結(jié)構(gòu)。
性能測(cè)試
Fig. 3 HER performance of c-Ru@H-NPC, c-Ru@NPC, H-NPC, NPC, commercial Pt/C and Ru/C in alkaline media. (a) LSV polarization curves with iR correction, (b) relevant overpotentials at different current densities (@10 and 50 mA cm-2) and (c) Tafel plots of HER, (d) double-layer capacitances (Cdl) versus various scan rates and (e) equivalent circuit and fitted EIS curves of various samples, (f) stability tests of c-Ru@H-NPC, (g) Comparisons of η10 with different catalysts in 1 M KOH.
Fig. 4 HER performance of c-Ru@H-NPC, c-Ru@NPC, H-NPC, NPC, commercial Pt/C and Ru/C in alkaline seawater. (a) LSV polarization curves with iR correction, (b) relevant overpotentials at different current densities and (c) Tafel plots of HER, (d) current density variation versus various scan rates and (e) equivalent circuit and fitted EIS curves of various samples, (f) stability tests of c-Ru@H-NPC. (g) Comparisons of η10 with different catalysts in alkaline seawater medium.
電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，c-Ru@H-NPC在堿性和堿性海水條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的HER性能，具有極低的過電位。在堿性和堿性海水條件下電流密度為10 mA cm-2時(shí)過電位分別為10和12 mV，在目前報(bào)道的催化劑中處于較優(yōu)水平。通過100和55 h的計(jì)時(shí)電流法測(cè)試表明，催化劑具有較優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性能。
機(jī)理分析
Fig. 5 The finite element method (FEM) simulation results of H2 concentration in c-Ru@H-NPC (a) and c-Ru@NPC (b). (c) The temporal evolution of H2 concentration at the center point and (d) the surface H2 diffusion rates of samples. (e) The model of c-Ru@NPC with charge density difference and (f) corresponding two-dimensional slice, (g) partial density of states (PDOS) of ruthenium active sites, (h) comparison of the outermost electron number of bonded Ru and C atom in c-Ru@H-NPC and Ru/C, (i) Gibbs free energy diagram for c-Ru@H-NPC, Ru/C and Ru. (j) values on surfaces of various structure models. In situ Raman spectra of interfacial water on (k) c-Ru@H-NPC and (l) c-Ru@NPC (E versus RHE).
有限元模擬研究表明，與實(shí)心材料相比，空心結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供了額外的活性位點(diǎn)，因此空腔中生成的H2更容易擴(kuò)散到催化劑外部。空心結(jié)構(gòu)中心氫氣濃度明顯優(yōu)于實(shí)心結(jié)構(gòu)且具有更高的摩爾流量。同時(shí)，N摻雜導(dǎo)致了Ru向載體轉(zhuǎn)移了更多電子增強(qiáng)了d-p雜化效應(yīng)，從而優(yōu)化了Ru對(duì)于活性中間體的吸附并使得初始水更容易吸附于催化劑表面。原位Raman同樣證實(shí)了催化劑具有較強(qiáng)的水吸附作用，在反應(yīng)電壓范圍內(nèi)K+水化水（KW）的比例明顯上升，并作為助催化劑加速了HER的Volmer過程，從而提高催化效率。
5. 總結(jié)與展望
本文通過對(duì)空心金屬有機(jī)框架進(jìn)行直接碳化和隨后的HF刻蝕制備了N摻雜的中空多孔碳，并將超細(xì)的Ru團(tuán)簇限域其中應(yīng)用于HER。增強(qiáng)的Ru-C間d-p雜化效應(yīng)和中空N摻雜多孔碳結(jié)構(gòu)在大幅提高堿性HER性能方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。實(shí)驗(yàn)表征和有限元法模擬結(jié)果表明，空心結(jié)構(gòu)使催化劑具有較大的表面積，暴露出更多的活性位點(diǎn)，從而有效地幫助增強(qiáng)氫氣擴(kuò)散。DFT計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明在d-p雜化效應(yīng)的調(diào)節(jié)下，Ru團(tuán)簇將更多電子轉(zhuǎn)移到N摻雜的碳載體上，從而大大優(yōu)化了Ru簇的電子結(jié)構(gòu)，改善了H*的吸附能。此外，根據(jù)原位Raman光譜研究表明，雜化效應(yīng)還增強(qiáng)了水在Ru上的吸附能，從而加速了Volmer反應(yīng)，提高了HER活性。這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)高性能催化劑提供了新的思路。
6. 課題組介紹
武漢理工大學(xué)先進(jìn)能源材料研究團(tuán)隊(duì)依托材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)期從事質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料與核心器件、電化學(xué)產(chǎn)氫催化材料、鋰離子電池電極材料和碳納米材料等研究工作。歡迎有志于科技報(bào)國(guó)的研究生及博士后加入團(tuán)隊(duì)！
木士春研究團(tuán)隊(duì)主頁http://shichunmu.polymer.cn/