轨道调控提升Fe2N的电催化析氢反应

发布者:李雪发布时间:2020-07-13浏览次数:162

随着化石能源的大量使用,环境污染和能源问题日益严重,寻求对环境友好的可再生能源至关重要。氢能因其清洁、可再生、能量密度高而被认为是最具潜力的可替代能源之一。而电解水产氢提供了一种对环境友好、可持续的制氢方案。但是析氢反应(HER)的动力学过程缓慢,寻找稳定,高活性的电催化剂来助力HER反应,提升反应效率尤为重要。铁作为地幔中最丰富、最便宜的过渡金属之一,在我们的日常生活中有着广泛的应用。此外,部分填充的d亚壳层也使铁基化合物有潜力应用到HER催化反应。近年来,金属氮化物由于其高导电性和类贵金属的特性,在催化方面引起了人们的特别关注。其中,Fe2N被发现具有较好的HER催化活性,但是Fe2N中的N原子位于Fe八面体的中心,一旦暴露在表面上,N就倾向于与界面铁原子发生不饱和配位,从而产生一个垂直于表面的空轨道。这一垂直空轨道可能与吸附态氢产生强电子耦合作用,这种强耦合作用不利于氢的脱附,将导致严重的表面氢污染。为此,中国科学技术大学王功名特任教授,刘晓静特任副研究员和合肥同步辐射国家实验室的郑旭升博士,利用原位精细结构分析和理论计算,揭示通过氮空位调控催化剂表面轨道取向,进而影响Fe2N和吸附态H之间的电子耦合强度,提升其酸性HER催化性能。原位XAFS研究揭示了HER催化过程中Fe位点的电子态演变,这可能与催化过程中表面水合氢离子的吸附有关。这项工作有助于加深对催化机理的认识,为催化剂的设计提供一定的实验和理论基础

该工作发表于国际化学和材料期刊《先进材料》(Adv. Mater. 2020, 32, 1904346),共同第一作者是博士研究生吴宜尚和蔡金言。

. a. 催化析氢性能表征。 b. 同步辐射XAFS谱。c. 氢吸附自由能。d.轨道取向调控界面电子耦合示意图。e. 未占据轨道分布图。

该工作的同步辐射X射线吸收谱表征和光电子能谱表征得到中国科学技术大学合肥同步辐射国家实验室的朱俊发教授和郑旭升副研究员的合作支持。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发项目、省自然科学基金等项目的资助,同时感谢上海同步辐射设备的支持。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201904346