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ChemSusChem:选择性氢键作用提升碳基材料氧气还原催化活性2023-07-06
中国科学技术大学江俊教授与松山湖材料实验室李喜玉,安徽大学杨丽合作,设计构建了一系列新型碳基双金属原子催化剂。通过理性设计,在催化位点附近锚定羟基基团,基于氢键作用的形成机制,选择性地调控氧化还原反应中间体的吸附能,从而打破了传统催化表面固有的线性关系限制,实现催化性能的提升。

 

 

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氧还原反应(ORR)是金属空气电池和质子交换膜燃料等许多能量转换和存储装置的核心,在电催化领域占有重要地位。然而,缓慢的反应动力学和低极限电位仍然是影响反应活性的主要瓶颈问题。在催化剂表面,反应两个关键中间体(*OOH和*OH)的吸附自由能之间存在着ΔG*OOH = ΔG*OH + 3.2 eV的线性关系,限制了极限电位及反应性能的有效提升。如何选择性的调节两个关键中间体的吸附能,是解决这一问题的关键。

基于此,中国科学技术大学江俊教授与松山湖材料实验室李喜玉,安徽大学杨丽通过第一性原理计算,提出了一个有效的调控策略:通过引入第三维氢键相互作用,实现中间体吸附能的选择性调节,从而改善固有的线性关系。在所构建的催化体系中,存在两种不同的金属位点:一种是具有较强金属性的位点,用以锚定氢键受体羟基(*OH);一种作为氧气还原催化位点。在反应过程中,催化位点上反应中间体*OOH会与邻位锚定的*OH形成非共价氢键相互作用,而较短的中间体*OH则由于空间距离不足无法与其形成氢键,从而在增强*OOH吸附的同时又不影响*OH吸附能。相应的计算结果显示,选择性调控*OOH吸附能大大提升了反应的极限电位(最高可达1.06 V),并且形成了更趋近理想线性的ΔG*OOH = ΔG*OH + 2.84 eV的新线性关系。该研究提出的氢键调控机制表明可以利用催化材料本征结构和性能特征来进行合理设计,提高催化活性,为新型催化剂的理性设计提供新的思路和方法。

文信息

Promoting Oxygen Reduction Reaction on Carbon-based Materials by Selective Hydrogen Bonding

Li Yang, Yue Zhang, Yan Huang, Linjie Deng, Qiquan Luo, Xiyu Li, Jun Jiang

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202300082

 

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