【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】負(fù)載型金屬催化劑對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)至關(guān)重要。大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，負(fù)載型金屬催化劑中的載體不僅扮演著分散和穩(wěn)定金屬納米顆粒的作用，還會(huì)與金屬顆粒產(chǎn)生強(qiáng)相互作用，進(jìn)而影響催化劑的活性、選擇性及穩(wěn)定性。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授梁海偉課題組與武曉君課題組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的合作研究，基于硫摻雜碳負(fù)載鉑(Pt)催化劑體系，發(fā)現(xiàn)了金屬與碳載體之間的電荷轉(zhuǎn)移方向隨著Pt尺寸的變化而反轉(zhuǎn)的新現(xiàn)象(圖1)。該研究成果以Reversing the charge transfer between platinum and sulfur-doped carbon support for electrocatalytic hydrogen evolution 為題，發(fā)表在期刊《自然-通訊》(Nature Communications)上。論文的共同作者為博士研究生嚴(yán)強(qiáng)強(qiáng)和吳道雄。
在該項(xiàng)工作中，研究人員首先利用他們前期發(fā)展的過(guò)渡金屬催化碳化有機(jī)小分子的方法(Nature Communications 2015, 6, 7992；Science Advances 2018, 4, eaat0788)，合成了硫摻雜介孔碳(S-C)載體材料，并采用傳統(tǒng)的浸漬法使用該S-C載體材料制備出兩種不同的Pt催化劑材料：Pt單原子(PtSA/S-C)與Pt納米團(tuán)簇(PtNC/S-C)催化劑。球差校正透射電鏡(HAADF-STEM)和同步輻射X-射線(xiàn)吸收譜(EXAFS和XANES)表征結(jié)果證實(shí)了Pt單原子和Pt納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)特征，即二者都直接與碳載體上的硫原子鍵合。有趣的是，研究人員通過(guò)分析對(duì)比樣品的X-射線(xiàn)光電子能譜(XPS)和XANES譜，發(fā)現(xiàn)了Pt與S-C載體之間的電荷轉(zhuǎn)移方向隨著Pt尺寸的變化而反轉(zhuǎn)的新現(xiàn)象：當(dāng)Pt為單原子時(shí)，其電子向S-C載體轉(zhuǎn)移；而當(dāng)Pt為1.5 nm團(tuán)簇時(shí)，電子從S-C載體向Pt轉(zhuǎn)移。同時(shí)，理論計(jì)算的電荷分析結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這種Pt和S-C載體之間電荷轉(zhuǎn)移的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
進(jìn)一步，研究人員探究了上述兩種催化劑的電催化析氫反應(yīng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有富電子特性的Pt納米團(tuán)簇的催化活性明顯優(yōu)于缺電子的Pt單原子和商業(yè)的Pt/C催化劑。理論計(jì)算表明，對(duì)于Pt團(tuán)簇體系，S-C載體上的電子向Pt團(tuán)簇轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致Pt上的電子云密度上升，H*吸附的吉布斯自由能下降，HER活性提升。該項(xiàng)工作闡述了一種對(duì)金屬和載體之間電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的新理解，為催化劑的設(shè)計(jì)提供了一種基于電荷轉(zhuǎn)移調(diào)控的新思路。
該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金以及中國(guó)科大同步輻射聯(lián)合基金的資助。
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