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吴宇恩/余振强Angew.:提高72倍!RuBi SAA/Bi@OG助力HER
钌(Ru)纳米颗粒表面电荷重分布,对电催化析氢反应(HER)活性有显著影响。基于此,中国科学技术大学吴宇恩教授和深圳大学余振强副教授(共同通讯作者)等人报道了通过一步热解法成功制备了双原子调谐RuBi SAA/Bi@OG纳米结,其以Bi-O单点掺杂石墨烯支撑RuBi单原子合金纳米颗粒。测试发现,RuBi SAA/Bi@OG表现出优异的碱性HER活性。在过电位为150 mV时,其质量活度可达65000 mA mg-1,是商用Pt/C的72.2倍。
通过DFT计算,作者研究了RuBi SAA/Bi@OG在碱性介质中增强的HER性能。通过Bader电荷分析发现,约2.19个电子从Ru13转移到O掺杂石墨烯载体上,但在石墨烯载体上引入Bi-O单位后,约1.28个电子从Ru13转移到周围的石墨烯载体上。进一步用Bi单原子取代Ru13团簇中的一个Ru原子,转移电子进一步减少到0.95。因此,Ru纳米颗粒在Ru13/O6G、Ru13/Bi1@O6G和Ru12Bi1/Bi1@O6G纳米结中的电荷分布明显不同。
通过DFT计算,确了认Ru为活性区。随着Bi单原子依次引入到O掺杂石墨烯载体和Ru13纳米团簇中,Ru13/O6G、Ru13/Bi1@O6G和Ru12Bi1/Bi1@O6G中Ru团簇的平均∆GH*(-0.69 eV)显著下降至-0.37 eV,其中Ru12Bi1/Bi1@O6G相对于Ru13/O6G和Ru13/Bi1@O6G具有最优的平均∆GH*(-0.37 eV)。
从理论上讲,Ru12Bi1/Bi1@O6G纳米结在所有模型中因其最佳的∆GH*而具有最高效的HER过程,HER过程的优先级顺序为Ru12Bi1/Bi1@O6G > Ru13/Bi1@O6G > Ru13/O6G。计算结果表明,合金Bi单原子和相邻Bi-O单位结构具有协同能力,通过调节石墨烯负载的Ru13纳米团簇的电荷再分配,提高RuBi SAA/Bi@OG在碱性介质中的HER性能。
A Double Atomic-Tuned RuBi SAA/Bi@OG Nanostructure with Optimum Charge Redistribution for Efficient Hydrogen Evolution. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202300879.
https://doi.org/10.1002/anie.202300879.
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