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Nano Res.[催化]│天津理工大學張雯團隊:具有共軛骨架結構的雙原子Pd催化劑應用于電化學CO?還原性能研究

背景介紹

目前大多數應用于電催化CO2還原的雙位點電催化劑主要通過高溫裂解的方式制備,制備過程中會對反應物進行結構重組,導致催化劑結構缺陷,分布不均勻,難以明確活性中心結構。因此,雙位點催化劑的實驗研究仍存在較大障礙,特別是難以精確控制雙位點催化劑的精細結構。為了克服這些挑戰,有必要尋求新的合成方法來精確控制雙位點催化劑的原子結構。

成果簡介

本文設計并合成了一種具有共軛骨架結構的雙金屬鈀配合物(BPB-Pd2)。首次將負載型BPB-Pd2應用于電化學CO2還原反應(CO2RR)。BPB-Pd2在?0.80 V vs. RHE時CO的法拉第效率(FECO)為94.4%,明顯優于單位點鈀催化劑(BPB-Pd1)。密度泛函理論(DFT)計算表明,BPB-Pd2對CO2RR反應活性突出的根本原因是雙位點鈀之間的電子效應降低了CO2RR過程的自由能變化。因此,BPB-Pd2更易形成COOH*中間體,從而有利于CO的生成。

圖文導讀

首先,本文制備具有共軛骨架結構的配體BPB。由DFT計算可知,吡啶的配位強度大于乙炔鍵的配位強度。因此,通過控制PdCl2(MeCN)2的加料比例,可以制備BPB-Pd1(圖1,藍色)和BPB-Pd2(圖1,橙色)兩種配合物。由于BPB是π共軛骨架,因此BPB-Pd1或BPB-Pd2催化劑可以通過π?π堆疊相互作用固定在碳納米管(CNTs)上,應用于電催化CO2還原性能研究。

Nano Res.[催化]│天津理工大學張雯團隊:具有共軛骨架結構的雙原子Pd催化劑應用于電化學CO?還原性能研究

圖1 BPB-Pd1和BPB-Pd2的制備策略及碳納米管負載型催化劑的電催化CO2還原性能。
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本文進行了拉曼光譜測試,進一步證明鈀原子的配位情況。如圖2(a)所示,對于BPB-Pd1,C=N官能團的峰發生了變化,乙炔鍵(2223.47 cm?1)的信號變化不明顯,說明第一個鈀離子與吡啶基團配位。對于BPB-Pd2,除了C=N鍵的位置發生變化外,乙炔鍵拉曼信號消失,表明第二鈀原子很可能錨定在乙炔鍵上。利用XPS測試進一步驗證了BPB-Pd1和BPB-Pd2的電子結構和配位環境。如圖2(b)所示,鈀元素在BPB-Pd2中的結合能比在BPB-Pd1中的結合能低。同時,乙炔鍵(sp雜化碳)的結合能提高了(圖2(c))。上述結果表明,富電子乙炔鍵為第二鈀原子貢獻了更多的電子。

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圖2(a)BPB、BPB-Pd1和BPB-Pd2的拉曼光譜。BPB-Pd1和BPB-Pd2中(b)Pd 3d,(c)C 1s和(d)N 1s的XPS光譜。
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在CO2飽和的0.5 M KHCO3水溶液中對兩種催化劑的CO2電化學活性進行評價。在相同鈀含量條件下,與BPB-Pd2相比,BPB-Pd1具有更窄的電位窗口和更低的FECO(圖3(a))。BPB-Pd2在?0.80 V vs. RHE,FECO最高值為94.4%,并且具有更寬的窗口電位,在?0.60至?1.10 V vs. RHE范圍內,法拉第效率大于80.0%(圖3(b))。在相同電解電位下,BPB-Pd2的CO分電流密度高于BPB-Pd1(圖3(c))。此外,BPB-Pd2的法拉第效率和電流密度在鈀原子分散催化劑中屬于較高水平(圖3(d))。

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圖3(a)BPB-Pd1和BPB-Pd2的FE。(b)BPB-Pd1和BPB-Pd2的FECO。(c)BPB-Pd1和BPB-Pd2的CO分電流密度,(d)BPB-Pd2與代表性催化劑的比較。
為了揭示BPB-Pd1和BPB-Pd2在CO2RR過程中的結構-性能關系,本文進一步對BPB-Pd1和BPB-Pd2還原CO2的反應途徑進行了DFT計算。如圖4所示,CO2RR在BPB-Pd1和BPB-Pd2上的反應都經歷了CO2吸附、兩步質子耦合電子轉移和CO脫附過程。對于BPB-Pd1和BPB-Pd2催化劑,CO2RR的決定速率步為CO2 (g)→COOH*,而BPB-Pd2的自由能變化顯著低于BPB-Pd1的自由能變化。因此,雙位點Pd在BPB-Pd2上的直接共催化使得CO2RR更容易生成CO。綜上表明,由于雙位點Pd的協同催化作用,在BPB-Pd1的乙炔鍵位置引入第二個Pd原子可以顯著提高其電催化CO2RR的活性和選擇性。

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圖4 CO2RR過程中(a)BPB-Pd2和(b)BPB-Pd1上各種中間體的吸收結構。(c)CO2RR在BPB-Pd2和BPB-Pd1上的自由能變化。

通訊作者簡介

張雯,天津理工大學副研究員。研究方向聚焦于超分子納米組裝體的構筑及其在人工光合體系中的應用。主持國家自然科學基金青年基金和天津市自然科學基金2項,已在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catalysis等期刊發表SCI論文20余篇。

王紅娟,天津理工大學副研究員。主要從事新型光電功能材料性質、光電催化二氧化碳還原、水分解、固氮等基礎熱化學與光化學反應機理方面的理論分析與計算模擬工作。目前主持國家自然科學基金青年項目,參與國家自然科學基金重點項目,已在國內外核心雜志上發表SCI論文多篇。

文章信息

Zhang W, Zhang M, Wang H, et al. Diatomic Pd catalyst with conjugated backbone for synergistic electrochemical CO2 reduction. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6458-z.

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