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【纳米】Nano Lett. | 利用IrOₓ原子团簇突破赤铁矿酸性光电催化性能记录

日期: 来源:X-MOL资讯收集编辑:ACS Publications
英文原题:Fully Dispersed IrOx Atomic Clusters Enable Record Photoelectrochemical Water Oxidation of Hematite in Acidic Media

通讯作者:王建军教授,刘宏教授,山东大学;胡劲松研究员,中国科学院化学研究所

作者: Shao-Yu Yuan (原绍禺), Li-Wen Jiang (蒋立文), Jin-Song Hu (胡劲松), Hong Liu (刘宏), Jian-Jun Wang (王建军)

背景介绍

由于效率高、稳定性好,铱基材料仍然是改善赤铁矿在低pH值下水氧化性能的最优选择,最近开发的单原子催化剂表现出了十分优异的水平,因为它在催化剂表面表现出最大的原子利用效率和可调整的电子结构,然而,金属原子在的负载量仍然很低,而且相对较大的负载量只能在具有大量缺陷位点的碳基底上实现。相反,由几个原子组成的完全分散的原子团不仅可以提供具有丰富原子构型多样性的多样化催化位点,而且还可以在表面实现理想的覆盖,具有较高的原子利用效率。特别是,超小的尺寸可以消除无效的散装原子,同时充分暴露出表面活性原子用于吸附和转化反应物。一般来说,金属原子的生长一般出现在现有的核中心,导致形成紧密的纳米颗粒,这给在基底表面实现类似于单原子催化剂的亚纳米级的均匀团簇带来了巨大挑战。基于此,我们报道一种完全分散的铱氧化物原子团簇植入赤铁矿的合成策略,突破了赤铁矿在酸性电解质中的光电催化水氧化性能记录。


文章亮点

近日,山东大学王建军教授,刘宏教授,中国科学院化学研究所胡劲松研究员Nano Letters上发表了全分散IrOx原子团簇修饰Fe2O3在酸性光电化学水氧化的研究。如图一所示,原子团簇的原子个数在一个至十个不等,分布十分均匀,未改变原本的晶体结构。

图1. 原子团簇修饰赤铁矿的结构表征


图2. 光电化学水氧化性能表征以及吸附能计算


如图2所示,在pH=1的酸性电解液中,经过修饰的赤铁矿在1.23 V vs RHE的水分解电位下表现出了1.35 mA cm-2的光电流密度,远高于我们合成的赤铁矿基础光阳极的0.5 mA cm-2,突破了赤铁矿在酸性条件下的光电催化水氧化性能记录。理论模拟表明,性能的提高与其电子结构的调制有关,包括费米能级和d带中心,这大大增强了电荷分离效率,促进了从*O到*OOH的中间体转化,另外,全分散IrOx原子团簇的引入导致了水氧化反应动力学的高度改善,电荷载流子密度的增加和内置电场的形成,促进了光生电荷载流子的分离和传输。


总结/展望

研究团队以贵金属催化剂在赤铁矿表面以原子团簇的形式进行修饰合成了新的光阳极,并以光电化学水分解为例,为其他的催化反应设计提供了指导。

相关论文发表在Nano Letters上,山东大学硕士研究生原绍禺为文章的第一作者,王建军教授,刘宏教授,胡劲松研究员为通讯作者,研究工作获得了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、中科院联合基金等项目资助。


通讯作者信息:

王建军  山东大学

王建军,教授,博导,中国化学会会员。于中国科学院化学研究所获得博士学位。先后在爱尔兰利莫瑞克大学(UL)、瑞士联邦材料科学与技术研究所(EMPA)、西班牙光子科学研究所(ICFO)从事博士后研究工作。主要从事纳米材料设计、合成、性能调控及其在光电转换、光催化、电化学等领域的应用研究。目前,主持和参与承担山东大学齐鲁青年学者人才项目、国家自然科学基金项目、北京分子科学国家研究中心课题、深圳科创委项目、山东省自然科学基金优秀青年基金项目等科研项目近10项。近些年,在J. Am. Chem. Soc.、Adv Mater、Adv Energy Mater、Adv. Fun. Mater、NPG Asia Mater. 、J. Mater. Chem. A、Small等国际顶级期刊上发表论文60余篇。部分工作被J. Am. Chem. Soc.、Small等选为封面文章发表,多篇成果被Nature China、Chem. Rev.等顶级期刊和科学媒体选为研究亮点进行广泛报道。获中国科学院院长优秀奖,中国科学院优秀博士论文,欧盟委员会第七框架(FP7)的欧盟内玛丽居里独立科研基金资助。

刘宏  山东大学

刘宏,山东大学晶体材料国家重点实验室,教授,博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事,中国光学学会材料专业委员会会员理事,中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向:组织工程与干细胞分化、生物传感与体外诊断、光电材料与纳米能源等。十年来,主持了包括十五、十一五、十二五、863、十三五国家重点研发项目和自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目,取得了重要进展。2004至今,在包括Adv. Mater., Nano Letters,ACS Nano,J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater,Envir. Eng. Sci.等学术期刊上发表SCI文章400余篇,其中,影响因子大于10的超过110篇,个人文章总被引次数超过23000次,H因子为72,40余篇文章被Web of Science的ESI选为高被引用论文,文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文、2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018、2019、2020连续三年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。应邀在化学顶尖期刊ChemicalSociety Review和材料顶尖期刊Advanced Materials和 Advanced Energy Materials上发表综述性学术论文,在国际上产生重要影响。授权专利40余项,有关生化传感器研究在山东大学进行了千万元成果转让,与企业合作进行产业化生产。2019年获山东省自然科学奖一等奖。

胡劲松  中国科学院化学研究所

胡劲松,中科院化学所研究员,中国科学院大学岗位教授,国家杰出青年基金获得者,博士生导师。主要从事电化学能源转换纳米材料与器件及低成本薄膜光伏研究,在燃料电池、电解水等非贵金属电催化过程的基础和应用研究方面进行了较为系统且深入的研究。提出了金属氮碳类电催化剂的协同催化机制和电解水催化剂的协同设计理念等。发表论文200余篇,他引32000余次,H因子84 (Google Scholar)。曾获中国化学会青年化学奖、中国电化学会青年奖和Nano Research Young Innovators (NR45) Awards in Nanocatalysis等奖励并多次入选科睿唯安全球高被引科学家。担任Natl. Sci. Rev.编辑工作组成员,Chin. J. Catal.、Nano Mater. Sci.、Mater. Future等杂志编委。


文章出版信息:


Nano Lett. 2023, ASAP

Publication Date: February 28, 2023

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00245

Copyright © 2023 American Chemical Society

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