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近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院曹敏花教授課題組在解決電催化劑的活性-穩(wěn)定性權(quán)衡問題取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“The Underlying Molecular Mechanism of Fence Engineering to Break the Activity-stability Trade-off of Catalysts”為題，在《Angewandte Chemie International Edition》雜志上在線發(fā)表（DOI：10.1002/anie.202114899）。該文的通訊作者為北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院曹敏花教授和毛寶光博士后，第一作者為北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生黃敬斌和郝夢瑤。    

開發(fā)高穩(wěn)定性、高活性以及低成本的電催化劑是催化科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的永恒追求。近年來，非貴金屬催化劑已經(jīng)成為了催化領(lǐng)域的研究熱點。然而，這類催化劑普遍存在長期穩(wěn)定性和高催化活性之間的權(quán)衡問題，這是因為優(yōu)化后的高催化活性位點往往更易受到復(fù)雜催化反應(yīng)環(huán)境因素的影響。例如氧氣、水蒸氣、臭氧、酸性/堿性反應(yīng)介質(zhì)等因素都可能通過化學(xué)作用毒化催化活性位點，導(dǎo)致催化劑表面發(fā)生重構(gòu)并破壞其幾何/電子結(jié)構(gòu)，造成催化劑失活。因此，尋找一種有效的策略來打破非貴金屬催化劑所面臨的活性-穩(wěn)定性權(quán)衡問題是一個巨大的挑戰(zhàn)。

北京理工大學(xué)曹敏花教授課題組提出了具有分子選擇性的柵欄工程策略，解決了催化劑活性與穩(wěn)定性之間的權(quán)衡問題。這種獨特的分子?xùn)艡诓粌H可以有效地阻斷毒化物種侵蝕催化劑，同時又允許與催化反應(yīng)相關(guān)的物種自由地擴(kuò)散到催化劑表面。采用一步法在高活性的Co 摻雜的MoS₂顆粒外表面原位構(gòu)建了具有分子選擇性的CoS₂柵欄（Co-MoS₂@CoS₂），通過分析Co-MoS₂@CoS₂堿性析氫反應(yīng)性能，發(fā)現(xiàn)這種分子?xùn)艡诓呗燥@著提高了Co-MoS₂的催化穩(wěn)定性，并進(jìn)一步優(yōu)化了其催化活性。同時，結(jié)合密度泛函模擬和實驗手段，進(jìn)一步驗證了CoS₂分子?xùn)艡诓粌H能有效保護(hù)Co-MoS₂催化劑免受O₂和OH^?毒化物種的侵蝕，而且能促進(jìn)Co-MoS₂對H₂O分子的吸附，從而抑制MoS₂在電解液中的溶解，實現(xiàn)其優(yōu)異的堿性HER穩(wěn)定性和活性。這一策略為解決高活性非貴金屬基催化劑的活性-穩(wěn)定性權(quán)衡問題開辟了新的前景，并為設(shè)計高效、穩(wěn)定的非貴金屬基電催化劑的大規(guī)模應(yīng)用提供了新思路。

圖1 Co-MoS₂@CoS₂催化劑的形貌和結(jié)構(gòu)表征

圖2 CoS₂分子?xùn)艡诮鉀Q催化劑活性-穩(wěn)定性權(quán)衡問題的機制

論文詳情：Jingbin Huang,⁺ Mengyao Hao,⁺ Baoguang Mao,* Lirong Zheng, Jie Zhu, and Minhua Cao*. The Underlying Molecular Mechanism of Fence Engineering to Break the Activity-stability Trade-off of Catalysts, Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.202114899. 論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202114899

附作者簡介：

曹敏花，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，洪堡學(xué)者。主要從事能源存儲與轉(zhuǎn)化材料的功能導(dǎo)向性設(shè)計及電化學(xué)機理研究。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Nano Energy, Chem. Mater., J. Mater. Chem. A等期刊上發(fā)表SCI論文100余篇。