陈文星研究小组在碳基单原子催化剂界面调控方面取得系列进展

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现代工业快速发展的同时也带来了日益严峻的能源与环境问题，可持续能源的应用为这两大问题的解决带来了新的机遇，而发展高效廉价的催化剂对能源转化来说至关重要。由于具有极高的原子利用率和相对均一的活性中心，单原子催化剂已经成为当前研究热点。特别地，碳基载体负载的单原子催化剂在电化学能源转换方面（如ORR、OER和HER等）具有广阔的应用前景。工欲善其事，必先利其器，陈文星副研究员自2018年入职北京理工大学以来，一直致力于开发普适高效的碳基单原子催化剂界面调控方法，借助同步辐射等多种表征手段并结合理论计算，对催化性能、反应机理等进行了系统深入的研究，以通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.，Energy Environ. Sci., Nano. Lett. 和Chem. Sci.等顶级期刊上发表系列文章。
　　首先，研究小组成功制备了超薄碳纳米片负载的单原子Cu催化剂用于高效电催化氧还原反应（ORR）。得益于Cu原子与杂原子（N、S）掺杂调控的碳基载体之间的强协同作用，合成的Cu-SA/SNC单原子催化剂具有明显增强的ORR活性，在碱性介质中半波电位可以达到0.893 V vs. RHE。此外，根据同步辐射XAFS分析及DFT计算发现，键长收缩的Cu(+1)-N4-C8S2原子界面结构为ORR的催化活性位点，Cu与碳基载体协同作用，对中间吸附的反应自由能进行调节，从而对ORR活性增强起至关重要的作用。（Zhuoli Jiang, Wenxing Chen,* et al. Energy Environ. Sci., 2019, 12, 3508-3514. 北理工为第一单位）论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/ ... 02974e#!divAbstract

　　图1 Cu(+1)-N4-C8S2原子界面结构调控及原位XAFS表征

　　其后，该研究小组进一步通过原子界面策略构建了硫改性的碳基过渡金属Mn-N-C单原子催化剂（MnSAs/S-NC），该催化剂在碱性介质中表现出优异的ORR活性，其半波电位为0.916 V vs. RHE。同步辐射原位XAFS测试表明，在ORR过程中，键长伸长的低价Mn-N4-CxSy原子界面是ORR过程的活性位点。（Huishan Shang, Wenxing Chen,* et al. Chem. Sci., 2020, 10.1039/D0SC02343D. 北理工为第一单位）论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/ ... 02343d#!divAbstract

　　图2 硫改性的碳基过渡金属Mn-N-C单原子催化剂提高ORR性能

　　碳基Mn单原子材料还是一种很有前途的ORR和OER双功能催化剂。该研究小组设计了一种Mn-N2C2单原子双功能电催化剂，在碱性条件下ORR半波电位（E1/2）高达0.915 V vs. RHE，OER过电位为350 mV（10 mA cm-2）。利用原位XAFS方法结合DFT理论计算发现低价Mn2+-N2C2原子界面是ORR反应的实际活性位，而高价Mn4+-N2C2原子界面则为OER过程的真实反应位点。原子界面上Mn与碳载体间原子和电子的协同作用可调节中间吸附产物的反应自由能，对于含氧电极催化反应活性的提高起重要作用。（Huishan Shang, Wenxing Chen,* et al. Nano. Lett., 2020, 10.1021/acs.nanolett.0c01925. 北理工为第一单位）论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01925

　　图3 可用于ORR和OER双功能催化的Mn-N2C2界面结构的原位研究

　　此外，研究小组还与清华大学的大团队合作，利用金属有机骨架封装三苯基膦原位磷化的方法设计了一种局域结构为Co1-P1N3的非对称原子界面，测试表明该结构具有优异的电催化HER性能，在酸性介质中，在10 mA cm-2下的过电势为98 mV，Tafel斜率为47 mV dec-1，优于CoN4界面结构和其他对比催化剂。（Jiawei Wan, Wenxing Chen,* Dingsheng Wang,* et al. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 8431-8439. 北理工为合作单位）论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c02229

　　图4 Co1-P1N3非对称原子界面结构的原位磷化法设计

　　上述研究成果得到了结构可控先进功能材料与绿色应用北京市重点实验室和材料学院先进材料实验中心的平台支持，得到了国家自然科学基金和科研院创新人才支持计划经费的支持。特别感谢清华大学李亚栋院士、王定胜教授和北京理工大学张加涛教授的支持。感谢北京化工大学庄仲滨教授团队的裴加景博士、北京光源的郑黎荣研究员、董俊才研究员、上海光源的王宇研究员、斯坦福大学的赵政杭博士、中国农业大学的孙文明博士在电化学分析、同步辐射测试及理论计算方面的帮助。感谢尚会姗博士和姜卓利硕士的辛苦付出。
　　陈文星副研究员2011年本科毕业于北京航空航天大学化学学院；2015年博士毕业于中国科学技术大学国家同步辐射实验室，师从国际著名同步辐射X-射线谱学专家吴自玉教授；2016年在清华大学化学系进行博士后研究，师从中国杰出化学家李亚栋院士；2018年受聘于北京理工大学材料学院。目前致力于金属催化剂的原子级精准合成，并将催化剂应用于电催化、有机催化、光催化、酶催化等领域，以及应用X-射线谱学方法（XANES、EXAFS）从原子尺度上研究催化剂的局域结构，并运用基于同步辐射大科学装置的原位测试技术对相关反应机理进行探索，与北京光源、上海光源、合肥光源以及斯坦福光源等国内外同步辐射平台有着良好的合作关系。已发表论文110余篇，总计SCI引用5000余次，高被引论文28篇，H 因子39 （Researcher ID: AAE-9886-2020），其中以通讯作者/第一作者（含共同）在Nat. Commun.(3), J. Am. Chem. Soc.(5), Angew. Chem. Int. Ed.(3), Adv. Mater.(5), Energ. Environ. Sci.(1), Nat. Catal.(1), Sci. Adv.(1), PNAS(1), Chem(1), Nano Lett. (1), Chem. Sci. (1)等期刊上发表论文30余篇。
         文章来源：北京理工大学