哈尔滨工业大学材料学院周玉

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作为铂基催化剂的替代品，碳载体负载钌（Ru）复合催化剂已经被重点关注。而碳载体的多孔结构和碳元素杂化态等对活性中心的催化活性有很大影响。因此，精心设计和调节碳载体的物理化学性质对于提高碳支撑型钌基催化剂的活性和稳定性至关重要。然而大多研究主要集中在不同碳载体的材料筛选、孔隙调控、导电性和碳缺陷等因素对催化剂活性的影响，而忽略了碳元素杂化状态，如sp2和sp3杂化态，在电催化析氢反应（HER）过程中有着各自优势。因此，具有复合sp2和sp3杂化碳的碳载体有望提高支撑钌基催化剂的催化活性。碳点（CDs）由于具有丰富的表面官能团和巨大的电子受体/供体功能成为一种新型碳载体。更重要的是，CDs中存在sp2/sp3共存的碳核。因此，利用CDs作为前驱体，可以制备具有sp2/sp3共存的碳载体。此外，CD中杂原子（如氮元素）的额外掺杂可以有效地调节电荷分布，从而通过促进电子转移提高催化性能。
        综合这些因素，哈尔滨工业大学周玉院士团队李保强教授课题组与浙江农林大学李彩彩副教授通过将氮掺杂碳点（NCDs）作为前驱体，设计合成了一种Ru纳米颗粒负载于具有氮掺杂sp2/sp3杂化态的碳载体（Ru/NCDs）。该材料巧妙地利用碳点构建了氮掺杂sp2/sp3碳界面，一方面进有效降低了Ru纳米颗粒的不稳定性和团聚性，一方面显著提高其电催化活性。结果表明，在碱性和酸性条件下，当电流密度为10 mA/cm-2时，Ru/NCDs表现出与商品Pt/C相当的催化活性，过电位分别为37 mV和14 mV。此外，光谱分析和密度泛函理论计算表明，Ru和NCDs之间的相互作用有效地调制了活性中心Ru的电子结构，而sp2/sp3碳界面的存在有助于降低中间能垒，平衡氢的吸附和脱附，从而大大提高HER性能。这项工作将为开发和设计先进的碳点以及Ru基催化剂提供新的视角。

Ru/NCDs中氮掺杂sp2/sp3碳的形成机制

论文信息：
N-doped sp2/sp3 Carbon derived from Carbon Dots to Boost the Performance of Ruthenium for Efficient Hydrogen Evolution Reaction
Zonglin Liu, Baoqiang Li*, Yujie Feng, Dechang Jia, Caicai Li*, Yu Zhou
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202200637
原文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202200637