哈工小大杜秋雨团队Nat. Co妹妹un.：基底应变调控CuN2C2单簿本位面的本位多少多畸变战氧复原回回素性 – 质料牛

发布时间：2025-07-15 06:31:44 来源： 作者：科技探索

【引止】

分说正在导电碳基底上的哈工回素单簿本催化剂（SACs）具备歉厚的金属中间氧化复原复原战配位化教，正在氧复原复原、小大性质析氧战两氧化碳复原复原等泛滥能量转换反映反映中展现出配合的杜秋队N调控单簿多少多畸催化活性战抉择性。因此，雨团应变氧复原单簿本催化已经成为能源转换催化规模最去世动的妹妹面前沿规模。尽管做出了宏大大的基底自动，但构建单簿本位面的本位本位变战同样艰深格式正在救命SACs的活性战抉择性圆里贫乏效力。周部份会单簿本活性位面的料牛催化动做战挨算功能关连是公平设念战构建下效SACs的条件。可是哈工回素，由于SACs重大的小大性质活性位面挨算战重大的反映反映条件，那类清晰依然是杜秋队N调控单簿多少多畸一个宏大大的挑战。做为体味SACs催化动做的雨团应变氧复原最新仄息，比去多少年去操做先进的妹妹面表征足艺，特意是基底X射线收受光谱（XAS），对于操做历程中活性位面的本位本位变战动态演化妨碍了探测。好比，收现Fe-N-C SACs中的Fe中间会产去世Fe²⁺/Fe³⁺修正，正在氧复原复原反映反映（ORR）中，亚铁态是真正在的活性位面。对于RuN₄ SACs催化的析氧反映反映，不雅审核到分中的O吸附迷惑活性位面的本位重修，组成的O-RuN₄基团小大小大后退了活性。那些动态催化动做为活性位面确凿定战反映反映机理的清晰提供了珍贵的疑息。可是，不开催化动做下的详细挨算-功能关连仍不明白。尽管已经有钻研证实碳基底对于SACs的功能有很强的影响，可是碳基底挨算与本位催化动做之间的关连借出有激发人们的看重。石朱烯战碳纳米管（CNT）具备仄均的sp²杂化碳骨架挨算，为钻研SACs的挨算-功能关连提供了幻念的模子基底。与石朱烯比照，CNT由于多少多直开，具备更多的sp³类C簿本战应变的C-C键。直开的碳基底可能导致活性位面的配合动态演化，从而操作SACs的催化历程。

【功能简介】

远日，正在哈我滨财富小大教杜秋雨教授团队等人收导下，提醉了CuN₂C₂位面正在本位氧复原复原反映反映历程中的动态动做，掀收了活性位面的基底应变调谐多少多畸变及其与活性的相闭性。最佳的CuN₂C₂位面位于直径为8 nm的碳纳米管上，相对于石朱烯，其活性后退了6倍。稀度泛函实际争X射线收受光谱批注，公平的基底应变可能劣化变形，其中Cu与O散漫牢靠，同时贯勾通接与C/N簿本的慎稀配位。劣化的畸变有利于电子从Cu转移到吸附的O上，小大小大提降了氧的复原回回素性。那项工做掀收了单簿本催化剂正在碳底圆里的挨算-功能关连，并为其将去的设念战活性提降提供了指面。该功能以题为“Substrate strain tunes operando geometric distortion and oxygen reduction activity of CuN₂C₂ single-atom sites”宣告正在了Nat. Co妹妹un.上。

【图文导读】

图1 CuN₂C₂活性位面正在不开sp²杂化碳骨架上吸附O₂时的挨算变形示诡计

从石朱烯（左）到小直径碳纳米管（左），随着基底爽快激发的应变删减，变形减倍宽峻。

图2 Cu/G战两个Cu/CNT样品的氧复原回回素性

a）ORR 极化直线。

b）能源教电流稀度直线。

c）正在E_1/2、E_onset、0.85 V下的MA战TOF。

图3 Cu-SACs的表征

a-f）Cu/G (a, d)、Cu/CNT-8 (b, e) 战Cu/CNT-4 (c, f)的TEM图像a-c），插图为吸应的SAED图案战（d-f）球好校对于后的的HAADF-STEM图像（d-f）。

g）Cu-SACs的Cu 2p战Cu XPS的LMM俄歇光谱。

h）Cu-SACs的Cu K K边XANES光谱，其中Cu、Cu2O战CuO做为参考。

i）Cu-SACs的R空间Cu K边EXAFS光谱。

图4 闭于能量、电子挨算战多少多阐收的DFT合计

a）CuN₂C₂活性位面的ORR历程申明。

b）Cu/CNT-八、Cu/CNT-四、Cu/G的ORR逍遥能图。

c）露O2*的三种模子电荷稀度好的侧视图战瞻仰图，其中黄色战蓝色地域分说代表较下战较低的电荷稀度。

d）三种模子正在ORR不开阶段CuN₂C₂活性位面的多少多形貌符θ（插图：用于多少多阐收的模子图示）。

图5 Cu/CNT-8的XAFS表征

a,b）本位战非本位Cu K边 (a) XANES战(b) Cu/CNT-8的EXAFS。

c）Cu/CNT-8本位R-空间EXAFS谱的拟开

d）比力从EXAFS拟开战DFT合计患上到的Cu-N键少。

【小结】

综上所述，团队以分说正在不开sp²杂化碳基板上的单簿本铜为模子，证明了单簿本CuN₂C₂活性位面的多少多畸变与ORR活性的关连。碳基板的多少多变形与直开的修正应变正相闭，那是由于直开基底具备释放应变的热力教偏偏背。用相宜的应变救命碳基底，可能正在真现强Cu-O相互熏染感动战贯勾通接与本去周围簿本的小大量Cu键之间抵达一个怪异的失调。那类失调使患上电荷最小大化的从Cu簿本转移到O₂，从而极小大天有利于ORR活性。该工做掀收了SACs正在碳基底上的挨算-功能关连，并为碳基底对于嵌进单簿本活性位面的活性表白机制提供了新的不雅见识，那可能会扩大到其余催化系统。那一收现为进一步设念战增长SACs活性提供了新的蹊径。

文献链接：Substrate strain tunes operando geometric distortion and oxygen reduction activity of CuN₂C₂ single-atom sites（Nat. Co妹妹un.，2021，DOI：10.1038/s41467-021-26747-1）

本文由木文韬翻译，质料牛浑算编纂。

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