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深圳大學(xué)張雷教授課題組最新AFM:揭示Ni-N?O?異相分子催化劑在H?O?電合成的高殼層配位規(guī)律

來源:化學(xué)加APP      2025-12-24
導(dǎo)讀:該研究報道了一系列通過非第一配位殼層工程實現(xiàn)電子結(jié)構(gòu)精確調(diào)控的非均相分子Ni–N?O?催化劑(Ni–N?O? HMCs)。該策略系統(tǒng)揭示了電子構(gòu)型(氧化態(tài)/自旋態(tài))、電化學(xué)穩(wěn)定性和催化性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。具有擴展共軛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化低自旋Ni–DPP HMC,在寬電位范圍(0.7–0.2 V vs. RHE)內(nèi)實現(xiàn)了>90%的H?O?選擇性,并在0.5 V時達到97%,在流動池中于工業(yè)相關(guān)電流密度800 mA cm?2下取得了破紀錄的52.13 mol gcat?1 h?1的產(chǎn)率。原位光譜學(xué)和DFT計算表明,Ni–DPP調(diào)節(jié)了*OOH吸附,優(yōu)化了活性與選擇性之間的平衡。這些發(fā)現(xiàn)為理性設(shè)計用于高效H?O?電合成的單原子催化劑提供了關(guān)鍵見解。
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第一作者(或者共同第一作者):彭建釗(副研究員),麥景行(碩士研究生) 

通訊作者(或者共同通訊作者):張雷教授,李慧齊助理教授,樂弦副教授

通訊單位:深圳大學(xué)

年份:2025

Doi:https://doi.org/10.1002/adfm.202527905


全文速覽

該研究報道了一系列通過非第一配位殼層工程實現(xiàn)電子結(jié)構(gòu)精確調(diào)控的非均相分子Ni–N?O?催化劑(Ni–N?O? HMCs)。該策略系統(tǒng)揭示了電子構(gòu)型(氧化態(tài)/自旋態(tài))、電化學(xué)穩(wěn)定性和催化性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。具有擴展共軛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化低自旋Ni–DPP HMC,在寬電位范圍(0.7–0.2 V vs. RHE)內(nèi)實現(xiàn)了>90%的H?O?選擇性,并在0.5 V時達到97%,在流動池中于工業(yè)相關(guān)電流密度800 mA cm?2下取得了破紀錄的52.13 mol gcat?1 h?1的產(chǎn)率。原位光譜學(xué)和DFT計算表明,Ni–DPP調(diào)節(jié)了*OOH吸附,優(yōu)化了活性與選擇性之間的平衡。這些發(fā)現(xiàn)為理性設(shè)計用于高效H?O?電合成的單原子催化劑提供了關(guān)鍵見解。

背景介紹

過氧化氫是一種重要的綠色氧化劑,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療消毒、廢水處理、紙漿漂白和有機合成等領(lǐng)域。傳統(tǒng)蒽醌具有高能耗、復(fù)雜的運輸系統(tǒng)以及大量有機溶劑的使用的缺點,不僅成本高昂,還帶來顯著的環(huán)境負擔(dān)。電化學(xué)合成通過兩電子氧還原反應(yīng)制備過氧化氫,被視為一種更清潔、節(jié)能的替代方案。近年來,碳基材料、金屬合金、單原子催化劑等多種材料被開發(fā)用于過氧化氫電合成。其中,單原子催化劑因其近100%的原子利用效率和可通過原子級配位工程精確調(diào)控的電子構(gòu)型而備受關(guān)注,在M-N-C SACs中,平面M-N?構(gòu)型被廣泛認為是ORR的內(nèi)在活性位點。調(diào)控這些位點的配位環(huán)境已成為調(diào)節(jié)其電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)化催化性能的有效策略。此外打破 M-N? 位點的高對稱性已被證明可以有效重新分布電荷密度,移動d帶中心,從而有利于O?活化、電子轉(zhuǎn)移和穩(wěn)定關(guān)鍵中間體。因此,低對稱性的 M-N?O? 構(gòu)型展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢:更高的催化活性、在不改變第一配位層的情況下實現(xiàn)電子重新分配的更大靈活性,以及通過配位數(shù)/對稱性調(diào)控可調(diào)節(jié)的自旋態(tài)/氧化態(tài)。盡管已有研究報道了具有高過氧化氫選擇性的M-N?O?催化劑,但配位誘導(dǎo)的電子構(gòu)型變化與催化性能之間的基本關(guān)聯(lián)仍未被充分理解。特別是,自旋態(tài)對調(diào)控2e- ORR 路徑的影響仍是一個未被深入探索的領(lǐng)域。

本文亮點

本工作選擇了Ni-N?O?異質(zhì)分子催化劑作為模型體系,通過高殼層精準調(diào)控的異相分子Ni中心的自旋態(tài)。從“N側(cè)”和“O側(cè)”兩個方向?qū)ε湮画h(huán)境進行工程化改造,并尋找自旋變化與ORR性能,H2O2選擇性的關(guān)系。

“N 側(cè)”工程旨在通過替換不穩(wěn)定的亞胺結(jié)構(gòu)并使用剛性結(jié)構(gòu)來提高化學(xué)穩(wěn)定性。

“O 側(cè)”工程則通過用弱場配體替換強場配體,生成了兩個高自旋樣品。


圖文解析

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圖1 材料合成與電鏡表征

a) 調(diào)整Ni-N2O2配合物的配位環(huán)境;b) Ni-N2O2HMCs結(jié)構(gòu)示意圖;c) Ni-N2O2HMCs的TEM圖像 ;d) Ni-N2O2HMCs的HAADF-STEM圖像。

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圖2 材料的XPS與XAS表征

a) Ni-N2OHMCs的Ni 2p圖像,可以見到高自旋樣品出現(xiàn)了明顯的衛(wèi)星峰,并且氧化態(tài)更高;b) Ni-N2O2的Ni 2p,可以吡啶氮配位樣品的XPS結(jié)合能高于亞胺結(jié)構(gòu)樣品;c) XANES 譜圖顯示,所有 Ni-N?O? HMCs 的邊緣能量接近 NiO,表明鎳的價態(tài)為 Ni2?;d) EXAFS 分析顯示,所有 Ni-N?O? HMCs 中均未觀察到 Ni-Ni 或 Ni-O-Ni 散射峰,進一步證實了鎳位點是原子級分散;(e)通過擬合同步輻射證明Ni-N2O2 HMCs的配位情況。

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圖3 RRDE測試

a) LSV測試:高自旋樣品在RRDE測試中起始電位明顯高于低自旋樣品;b) RRDE選擇性:可以看出Ni-DPP HMCs 在寬電位下(0.2-0.7 V vs. RHE)的選擇性均高于90%;c) 在0.4V、0.5V和0.6V時,Ni-N2OHMCs的H2O2選擇性與起始電位(E0)之間的相關(guān)性;d) N2氛圍下的H2O2RR測試,可以看出Ni-DPP HMCs對H2O2的分解能力最弱,進一步印證其選擇性高的原因;(e)KSCN毒化實驗:低自旋樣在KSCN毒化實驗中電流減弱程度明顯低于高自旋樣品,這很可能歸功于鄰近Ni-N2O2基序的α碳,該基序促進O2活化,并與SCN-競爭吸附;(f)Ni-DPP HMCs的H2O2選擇性,起始電位(E0)與已報道文獻進行對比。

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圖4 工業(yè)級電流下高效生產(chǎn)H2O2與有機合成應(yīng)用

(a) 0.1M KOH流動池下的LSV;(b) 1M KOH下不同電流密度的FE與H2O2產(chǎn)率;(c) 流動池性能對比:Ni-DPP HMCs能在流動電解池中于800 mA cm?2的工業(yè)級電流密度下,實現(xiàn)了52.13 mol gcat?1 h?1的高產(chǎn)率,領(lǐng)先于已報道文獻;(d) 流動池的穩(wěn)定性測試;(e) Ni-DPP HMCs在流動池陰極對苯甲腈原位水解的示意圖。

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圖5 機理解釋

(a) Ni-DPP HMCs原位紅外測試,可以見到 OOH*峰比其他樣品強度更高,體現(xiàn)了其良好的OOH*吸附能力,解釋其選擇性良好的原因;(b) 原位拉曼測試:Ni-DPP HMC在755 cm?1處表現(xiàn)出典型的Ni-OOH峰,隨著過電位升高(0.5V-0.3V)而增強,這與原位ATR-SEIRAS中觀察到的*OOH趨勢一致;(c-d) EPR測試與磁化率測試:解釋Ni-N2O2 HMCs自旋態(tài);(e) 不同自旋態(tài)Ni金屬中心電子分布示意圖。

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圖6 DFT計算

(a)電荷密度圖:高自旋樣品從苯酚氧中獲得電子多于低自旋樣品,符合XPS中高自旋樣品價態(tài)較高結(jié)果;(b)PDOS圖:Ni-DPP的Ni三維軌道中心位置為-1.63 eV,高于Ni-Salo(-2.66 eV)和Ni-H4Salo(-1.89 eV)。這表明Ni-DPP中與反應(yīng)中間體的相互作用更強,解釋為何Ni-DPP HMCs具有優(yōu)秀的選擇性;(c)2e-ORR火山圖:Ni-DPP居峰頂,活性/選擇性最佳;(d) 2e-/4e-ORR的自由能圖:可以看到Ni-DPP表現(xiàn)出了最低的2e-ORR反應(yīng)能壘,更有利于*OOH脫附,而Ni-DBP表現(xiàn)出更高的*OOH結(jié)合能,成功論證了為何高自旋樣品更偏向4e- ORR,而低自旋樣品偏向2e-ORR;(e)形成能計算評估了 Ni-N?O? 的穩(wěn)定性。Ni-DPP 顯示出最低的形成能,與其卓越的長期穩(wěn)定性一致,而 Ni-Salo 顯示出最高的形成能,表明其位點最不穩(wěn)定。


總結(jié)

這項研究不僅創(chuàng)制了過氧化氫電合成的性能新紀錄,更構(gòu)建了從催化劑原子結(jié)構(gòu)設(shè)計到宏觀性能調(diào)控的完整知識框架。研究團隊通過對非第一配位層的精確工程,成功調(diào)控了鎳中心的電子結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了對自旋態(tài)、氧化態(tài)和關(guān)鍵中間體吸附行為的精確控制。隨著全球?qū)G色化工需求的不斷增長,這種高效、穩(wěn)定的過氧化氫電合成技術(shù)有望替代傳統(tǒng)高耗能工藝,在醫(yī)療消毒、廢水處理、清潔生產(chǎn)等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。未來,基于這一設(shè)計理念,研究團隊將進一步探索不同金屬中心和配體結(jié)構(gòu)的組合,開發(fā)更多高效穩(wěn)定的電合成催化劑。


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