Ni价电子调控实现高效氢气电催化氧化

开发高效廉价的碱性氢氧化反应催化剂对于碱性膜燃料电池的发展至关重要。Ni基催化剂作为当前极具发展前景的非贵金属催化剂，其催化活性相较于贵金属依然差距显著，无法完全取代贵金属而导致碱性膜燃料电池成本与性能受限。近日，华中科技大学的王得丽教授、赵旭副教授通过构造金属缺陷对氮化镍催化剂的价电子分布进行调控，从而改善碱性膜燃料电池阳极氢氧化反应中的关键中间体吸附，提升阳极氢氧化反应活性。该成果近期发表在Angewandte Chemie 上

图1. 镍缺陷对氮化镍催化剂价电子分布和氢氧化反应物吸附的调节作用。图片来源：Angew. Chem.

研究发现，镍缺陷会导致催化剂活性中心价电子的离域和缺失。其中，OH吸附中心的价电子离域会增加Ni ds-O 2p轨道之间的相互作用，增强催化剂对OH反应中间体的吸附。而H吸附中心的价电子缺失会降低Ni ds-H 1s轨道之间的相互作用，减弱催化剂对H反应中间体的吸附，从而可显著加速碱性氢氧化反应过程。

图2. (a,b) 缺陷对氮化镍价电子分布的影响. (c-e) Ni ds-H 1s以及Ni ds-O 2p的电子轨道作用. (f) H和OH结合能与HOR活性的关系图. (g) 氢氧化反应能垒图。图片来源：Angew. Chem.

相应地，富含镍缺陷的氮化镍纳米催化剂的质量活性高达40.69 A g^-1，是完整Ni₃N纳米片的15倍。同时，该催化剂还表现出了优异的催化稳定性和抗CO毒性。这种价电子调控策略为后续设计高活性的电催化剂提供了新思路。

图3. 碱性氢氧化反应性能. (a)极化曲线. (b)不同转速下的极化曲线. (c)质量活性和比活性对比. (d)Tafel图. (e)稳定性和(f)抗CO毒性. 图片来源：Angew. Chem.

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Controlling the Valence-Electron Arrangement of Nickel Active Centers for Efficient Hydrogen Oxidation Electrocatalysis

Xu Zhao, Xiangyang Li, Lulu An, Lirong Zheng, Jinlong Yang, Deli Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202206588

作者简介

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19篇。申请中国专利5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。担任《Chinese Chemical Letters》、《The Innovation》、《Exploration》等期刊青年编委。

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

王得丽，华中科技大学教授，博士生导师

获教育部“新世纪优秀人才计划”、中组部高层次人才计划、湖北省“化学化工青年创新奖”、中国表面工程协会“中表镀-安美特青年教师奖”。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。在Nat. Mater.、Nat. Commun.、JACS、Energy Environ. Sci.、AEM等期刊上发表SCI论文100余篇，获美国发明专利2项、中国发明专利6项。担任《中国化学快报》、《电化学》、《储能科学与技术》、《Nano Materials Science》、《Energy & Fuels》、《J. Phys Energy》杂志编委。

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

https://www.x-mol.com/university/faculty/10725