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計算頂刊集錦:李亞棟、徐梽川、邵敏華、陳邦林、張山青等人最新成果

計算頂刊成果解讀

1. Adv. Mater.:構建硫尖晶石對水氧化活性位點和自旋通道
計算頂刊集錦:李亞棟、徐梽川、邵敏華、陳邦林、張山青等人最新成果
水電解是一種很有前途的碳中和的制氫技術,但開發穩定、低成本的陽極催化劑仍然是一個巨大的挑戰。其中,表面上重構的氫氧化物是活性物質,其中大多數優于直接合成的氫氧化物,但高內在活性的原因仍有待探索。基于此,新加坡南洋理工大學徐梽川教授和南方科技大學曾林副教授(共同通訊作者)等人報道了關于展示預催化劑硫尖晶石CoFe2S4的獨特重構行為,以及其高OER活性的重構化學。
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通過密度泛函理論(DFT)計算,作者首先檢測了CoFe2O4的電子結構。CoFe2O4有限重建的來源于較低O 2 p能級,限制了氧化物的結構靈活性。DFT研究顯示,在實現重構方面Co-S雜交優于Co-O雜交的顯著優勢。CoFe2S4的S 3p帶顯示出明顯的更高的能級,其中心比CoFe2O4的O 2p更接近費米能級。此外,對于后期過渡金屬氧化物/硫化物,(M-O)*/(M-S)*軌道傾向于被強d-d軌道相互作用分裂,導致一個空的UHB和一個填充的LHB。
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在陽極掃描中,電子將首先從LHB中移除,導致金屬陽離子的氧化狀態增加。在CoFe2O4的循環伏安法(CV)中,在約1.1 V電位下,Co2+/Co3+的穩定氧化還原,表明電子只能從EF以下的LHB中移除。由于硫化物中的S 3p態的能級高于氧化物中的O 2p態,因此(M-S)軌道比(M-O)軌道更接近LHB。在金屬陽離子氧化后,在OH氧化前,電子沿著陽極掃描從(M-S)鍵合軌道上移除,導致M-S鍵斷裂,并有助于在OER前形成氫氧化物。
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Reconstruction of Thiospinel to Active Sites and Spin Channels for Water Oxidation. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202207041.
https://doi.org/10.1002/adma.202207041.
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2. J. Am. Chem. Soc.:Fe-N-C提高負載型納米Pt燃料電池的穩定性
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分散在炭黑上的鉑(Pt)基納米顆粒耐久性差,是長壽命聚合物電解質燃料電池應用面臨的一大挑戰。研究表明,Fe和N共摻雜碳(Fe-N-C)可能比傳統的高比表面積碳更好。基于此,香港科技大學邵敏華教授(通訊作者)等人報道了在酸性和堿性介質中,Pt/Fe-N-C在電位循環過程中的電化學表面積保持率遠優于市售Pt/C。原位電感耦合等離子體質譜研究表明,循環過程中Pt/Fe-N-C的Pt溶解速率是Pt/C的3倍。
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DFT計算發現,Pt/Fe-N-C與載體間的結合能最低(-4.60 eV),其次是Pt/N-C(-3.86 eV)和Pt/C(-2.84 eV),表明Fe-N-C提供了最強的載體。從負投影晶體軌道漢密爾頓總體圖(-pCOHP)發現,對于Pt/Fe-N-C,所有成鍵態都出現在價帶(低于費米能級EF),而幾乎所有反鍵態都出現在導帶(高于EF),其中負值表示反鍵狀態,正值表示成鍵狀態。
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O*在固定在三種基質上的Pt簇的(111)面上最穩定的吸附構型。結果發現,O*吸附在Pt/Fe-N-C和Pt/N-C的六方密排(hcp)位,與在Pt/C和晶態Pt(111)表面所觀察到的不同,在晶態Pt(111)上,O*更傾向于吸附在面心立方(fcc)位。通過調整Pt簇的電子結構,Fe-N-C載體減弱了Pt簇上的O*吸附強度,從而減少了Pt氧化物的形成,可能是Pt溶解速率降低的一個原因。
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Fe-N-C Boosts the Stability of Supported Platinum Nanoparticles for Fuel Cells. J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c08305.
https://doi.org/10.1021/jacs.2c08305.
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3.?Angew. Chem. Int. Ed.:一步形成原子分散的Pt氧化物簇助力超低溫Zn-空氣電池
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在細小的氧化物簇上,錨定原子分散的位點是有吸引力的新型催化材料。基于此,深圳大學王進教授和清華大學李亞棟院士(共同通訊作者)等人報道了一種電脈沖方法,以氮摻雜碳為載體,一步合成各種氧化物團簇上原子分散的Pt(Pt1-MOx/CN)。測試發現,Pt1-MOx/CN顯示出氧還原反應(ORR)的高活性,半波電位為0.94 V,而原子分散的Pt在大Fe2O3納米顆粒上的催化性能較差。同時,具有Pt1-MOx/CN的Zn-空氣電池在-40 °C下具有優異的性能,峰值功率密度為45.1 mW cm-2,循環穩定性達120 h。
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DFT計算發現,Pt1-FeOx/CN是4e ORR途徑的四個質子耦合電子轉移步驟依次包括將O2還原為OOH*、O*、OH*和OH。其中,OH*解吸是Fe/CN(-0.74 eV)、Pt1-Fe2O3/CN(-0.64 eV)和Pt1-FeOx/CN(-0.85 eV)模型上的決定步驟,而Pt/CN(-0.72 eV)上的O*到OH*的步驟是決定步驟。作者進一步研究了Pt原子為活性位點與氧原子相互作用的模型的部分態密度,表明Pt1-Fe2O3/CN、Pt1-FeOx/CN和Pt/CN中Pt原子的d-帶中心分別為-2.62、-2.67和-2.86 eV。
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Fe K-edge的XANES發現,Pt1-FeOx/CN的邊緣能量和白線強度略低于Fe2O3,表明Pt1-FeOx/CN中高度不飽和Fe物種的氧化狀態較低。在Pt L3-edge XANES中,Pt1-FeOx/CN的邊緣能量低于Pt1-Fe2O3/CN,表明Pt1-FeOx/CN中未被占據的Pt 5d態的能級更低。Pt1-FeOx/CN中Pt的價為~+1.8,并且通過FeOx的電荷轉移,Pt1-FeOx/CN中的Pt價降至~+1.4。
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Electrical Pulse Induced One-step Formation of Atomically Dispersed Pt on Oxide Clusters for Ultra-Low-Temperature Zinc-Air Battery. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202213366.
https://doi.org/10.1002/anie.202213366.
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4. Angew. Chem. Int. Ed.:自重構MOFs異質結用于可切換的OER
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設計同時具有優異的析氧反應(OER)活性和耐久性的金屬-有機骨架(MOF)基催化劑是非常必要的,但由于其固有活性有限導致在苛刻的OER條件下難以實現。基于此,美國德克薩斯大學陳邦林教授和海南大學林仕偉教授(共同通訊作者)等人報道了通過氧化還原電化學和拓撲引導策略構建了穩定的自重構MOF異質結。由于Ni-BDC-1(BDC=1, 4-苯二甲酸)氫鍵的抑制作用,對比完全重構的Ni-BDC-3(332 mV),在電流密度為10 mA cm-2下,自重構MOF異質結顯示出225 mV的低過電位,顯著提高的OER活性。
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作者進行DFT計算,以深入了解自重構MOF異質結改善的OER活性。由析出的NiOOH作為上表面和Ni-BDC-3作為底層組成的雙重結構,同時NiOOH被構建為Ni-BDC-3R的模擬模型。當未施加電勢(U=0 V)時,兩種催化劑的自由能均上升,表明需要施加額外的電勢來觸發OER反應。具體而言,OH*的吸附(步驟I)顯示Ni-BDC-1R的最高勢壘(ΔG1=1.40 eV),表明MOF異質結上對OH*的弱吸附親和力。對于Ni-BDC-3R,作為RDS的OH*氧化為O*(步驟II)具有1.26 eV的勢壘。因此,Ni-BDC-1R需要更多的能量來促進OER過程。
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當施加電位達到1.3 V時,Ni-BDC-1R仍顯示出吸附OH*的最高吸熱自由能(0.29 eV)。在相同條件下,Ni-BDC-3R很容易形成O*物種,而其OER反應過程受到OH*吸附的限制(ΔG1=0.14 eV)。能量勢壘分析表明,在1.3 V下,Ni-BDC-3R比Ni-BDC-1R對OER反應的能量更有利。從熱力學角度來看,OER可以在Ni-BDC-1R的起始電位(1.4 V)附近自發發生,導致獨特的泵開啟OER活性
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Self-Reconstructed Metal-Organic Framework Heterojunction for Switchable Oxygen Evolution Reaction. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202214794.
https://doi.org/10.1002/anie.202214794.
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5. Angew. Chem. Int. Ed.:Co-N/GFs實現高選擇性雙電子ORR
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具有高效率和高選擇性的電催化劑,對于高性能、低成本和可持續的儲能應用是至關重要的。基于此,澳大利亞格里菲斯大學張山青教授和上海理工大學Yuhai Dou(共同通訊作者)等人報道了他們系統地研究了碳負載單原子催化劑(SACs)對氧還原反應(ORR)路徑(雙電子,2e或四電子,4e)的邊緣效應,得出了2e-ORR在邊緣托管Co-N4原子位點上進行比在基面托管Co-N4原子位點上進行更有利的結論。作者合成了具有不同邊體積比的Co-SACs,制備的富邊緣Co-N/HPC催化劑表現出優異的2e-ORR性能,在較寬的電位范圍內具有~95%的選擇性。
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作者進行了DFT計算,從理論上研究ORR的反應能量與錨定位點的局部幾何結構之間的相關性。基于單層石墨烯缺陷位點上的錨定位置,構建了五種類型的Co-N4構型,包括基面承載的Co-N4/G(位于石墨烯基面中)、邊緣承載的Co-N4/ACG(位于在石墨烯扶手椅邊緣之間)、Co-N4/AC邊緣(位于石墨烯扶手椅邊緣旁邊)、Co-N4/ZZG(位于石墨烯之字形邊緣之間)和Co-N/ZZ邊緣(位于石墨石墨烯之形邊緣旁邊)。
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SACs的熱力學穩定性很大程度上取決于主體材料中的錨定位點及其與配位不飽和金屬原子的相互作用,因此通過計算Co原子嵌入N摻雜石墨烯基體時的能量變化,以比較構建的Co-N4構型的形成能量。Co-N4/ACG、Co-N4/AC邊緣、Co-N6/ZZG和Co-N4/ZZ邊緣的計算形成能低于Co-N4/G,表明Co原子傾向于通過形成Co-N鍵而被限制在邊緣位置。
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Edge-hosted Atomic Co-N4 Sites on Hierarchical Porous Carbon for Highly Selective Two-electron Oxygen Reduction Reaction. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202213296.
https://doi.org/10.1002/anie.202213296.
6.?Nat. Commun.:Fe/SAs@Mo-based-HNSs用于超穩定HER
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氫能是實現碳中和的關鍵,其中具有單金屬原子分散的異質結材料是制氫的理想材料。然而,如何實現大規模制備高穩定性、低成本、方便的單原子錨定異質結構催化劑仍是一個巨大的挑戰。基于此,香港城市大學(深圳)呂堅、香港城市大學李揚揚和哈爾濱工業大學(深圳)孫李剛(共同通訊作者)等人報道了一種從礦物水凝膠開發的鐵(Fe)單原子分散異質結的鉬(Mo)基納米片(Fe/SAs@Mo-based-HNSs)。該納米片在堿性條件下表現出優異的析氫反應(HER)活性和可靠性,在電流密度為10 mA cm-2下表現出38.5 mV的過電位,在高達200 mA cm-2下,在運行超過600 h時后性能沒有下降,優于大多數已報道的非貴金屬電催化劑。
計算頂刊集錦:李亞棟、徐梽川、邵敏華、陳邦林、張山青等人最新成果
通過DFT計算,以確定Fe/SAs@Mo-based-HNSs在HER中突出的電催化活性的分子基礎。作者計算了從實驗觀察中提取的各個位點的ΔEH2O值,基于確定的微觀結構,構建了三個單相模型(MoP、MoP2、MoO2)、三個異質結構界面模型(MoP/MoP2,MoP/MoO2,MoP2/MoO2)和兩個單原子分散模型(Fe@MoO2-1,Fe@MoO2-2)。所有界面模型的ΔEH2O值均高于單相模型,證明異質結構界面有效促進H2O吸附。
計算頂刊集錦:李亞棟、徐梽川、邵敏華、陳邦林、張山青等人最新成果
此外,單原子分散Fe原子與MoO2中1個(Fe@MoO2-1)和2個(Fe@MoO2-2)O原子鍵合的H2O吸附能力存在顯著差異,說明單原子分散Fe原子的局部鍵合環境極大地影響了電催化位點的H2O吸附行為。單相和異質結界面模型均表現出比Pt(111)更強的水吸附能力,說明MoP2、MoP2和MoO2納米晶體及其異質結構界面是高效吸附水的關鍵。結果表明,在吸附H2O分子時,異質結界面和單Fe原子位點出現了明顯的電子耗損,表明了電子從活性位向H2O分子轉移的有效促進作用。
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Two-dimensional mineral hydrogel-derived single atoms-anchored heterostructures for ultrastable hydrogen evolution. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-33725-8.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33725-8.
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7. Adv. Funct. Mater.:NiO/Ni-N-C助力CO2電還原
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氧調節的鎳(Ni)基單原子催化劑(SACs)在加速電催化CO2還原反應(CO2RR)動力學方面顯示出巨大的潛力,但是精確控制Ni-O部分的配位環境仍然是一個挑戰,并在高過電位下實現高活性。基于此,安徽工業大學何孝軍教授和北京化工大學邱介山教授(共同通訊作者)等人報道了一種簡單的碳化耦合氧化策略,以大規模生產NiO團簇修飾的Ni-N-C SACs(NiO/Ni-N-C)在寬電位范圍內(-0.9至-1.3V vs RHE)表現出高的CO法拉第效率(最高96.5%),即使在1.19 V的高過電位下,生產CO的周轉頻率(TOF)高達10120 h-1
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通過DFT計算,以深入了解NiO簇和Ni-N4配位環境對CO2RR性能的影響。利用石墨烯層作為碳基電催化劑的襯底,與4個N原子配位并錨定在石墨烯層上的Ni原子來反映傳統的單Ni原子催化劑。將由14個Ni原子和14個O原子組成的NiO團簇引入Ni-N4的幾何結構中,構建了NiO/Ni-N-C的模型。計算結果表明,NiO-Ni-N4模型中*COOH和*CO的生成能均低于Ni-N4模型中的生成能。
計算頂刊集錦:李亞棟、徐梽川、邵敏華、陳邦林、張山青等人最新成果
具體而言,NiO-Ni-N4位點上CO2與*COOH的第一反應自由能變化為0.66 eV,遠小于Ni-N4位點(1.99 eV),表明NiO-Ni-N4位點上生成*COOH比Ni-N4位點上更容易。對于NiO-Ni-N4,CO解吸步驟的反應勢壘為0.94 eV,說明*CO解吸可能是CO2RR的另一個關鍵過程。結果表明,引入NiO簇后,Ni-N4上CO產生的理論能壘從1.99 eV降至0.94 eV ,與NiO-Ni-N-C的CO2還原活性明顯高于對照樣品的實驗結果一致。
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Highly Dispersed NiO Clusters Induced Electron Delocalization of Ni-N-C Catalysts for Enhanced CO2 Electroreduction. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202208622.
https://doi.org/10.1002/adfm.202208622.
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8. Small:PtCuRu納米花用于高效燃料電池電催化
計算頂刊集錦:李亞棟、徐梽川、邵敏華、陳邦林、張山青等人最新成果
通過合理的結構設計提高鉑(Pt)基合金的催化活性,是解決直接乙醇燃料電池遲緩動力學的關鍵。基于此,北京化工大學王潔欣教授(通訊作者)等人報道了一種簡便的策略,利用一鍋法合成PtCuRu納米花(PtCuRu NFs)。優化的Pt0.68Cu0.18Ru0.14 NFs表現出優異的電催化性能、優異的抗中毒性能和耐用性。其中,甲醇氧化反應(MOR)的比活度(7.65 mA cm-2)和乙醇氧化反應(EOR)(7.90 mA cm-2),分別是商用Pt/C的6.0和7.1倍。
計算頂刊集錦:李亞棟、徐梽川、邵敏華、陳邦林、張山青等人最新成果
通過DFT計算,作者研究了PtCuRu NFs中多個活性位點對MOREOR的影響。合金表面顯示出較少的CO電荷積累和較低的吸附強度(-0.51 eV)比純Pt表面(-0.76 eV),表明有毒中間體CO更容易在合金表面解吸。合金和OH之間的吸附能(0.83 eV)低于純Pt(1.05 eV),表明吸附更強。這些結果是因為Ru作為一種親氧金屬有助于吸附含氧物種(OH),可促進Pt位點上的COad的氧化和去除,并有效增強MOR和EOR的電催化活性和抗中毒能力。
計算頂刊集錦:李亞棟、徐梽川、邵敏華、陳邦林、張山青等人最新成果
純Pt表面具有占據的d-π軌道,而合金表面具有較小的d-π軌道,證明合金化可以削弱CO和金屬表面之間的相互作用。Cu和Ru的加入使樣品的d帶中心升高(-1.98 eV),比純Pt更接近費米能級(-2.37 eV)。因此,反鍵態將被推向更高的水平,從而導致OH吸附強度的增強。結果表明,PtCuRu-NFs提高了中間體OH的吸附能力,加速了有毒CO的氧化和解吸。
計算頂刊集錦:李亞棟、徐梽川、邵敏華、陳邦林、張山青等人最新成果
PtCuRu Nanoflowers with Ru-Rich Edge for Efficient Fuel-Cell Electrocatalysis. Small., 2022, DOI: 10.1002/smll.202204720.
https://doi.org/10.1002/smll.202204720.

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