铂单原子催化剂同步辐射X射线吸收谱的研究进展
任诗杰, 谯思聪, 刘崇静, 张文华, 宋礼
高等学校化学学报
2022, 43 ( 9):
20220466-.
DOI:10.7503/cjcu20220466
相比于传统块体材料, 铂单原子催化剂(Pt SACs)具有接近100%的贵金属利用率、 优异的催化活性和均一的反应位点等优势, 近年来逐渐成为催化研究的前沿之一. 高度分散的Pt原子与载体之间的界面相互作用很大程度上决定了Pt SACs的物理和化学性能. 因此, 建立金属-载体相互作用与性能之间的内在关联机制, 对于单原子催化剂的优化设计至关重要. 得益于同步辐射光源高亮度、 高准直性和宽波谱的优势, X射线吸收谱技术在鉴别单原子催化剂的电子结构和局域配位方面的成果显著. 本文综合评述了Pt SACs X射线吸收谱的研究进展, 重点介绍了Pt与金属氧化物、 金属、 纳米碳和多孔有机框架等载体之间独特的相互作用， 以及其对性能的影响机制, 并对未来同步辐射新技术在Pt SACs的高分辨解析方面的前景进行了展望.
View image in article
Fig.10
HER polarization curves for ALDPt/NGNs and Pt/C catalysts(A), mass activity at 0.05 V(vs. RHE)(B), durability measurement of ALD50Pt/NGNs(C), ADF?STEM image of ALD50Pt/NGNs(D), schematic illustration of the ALD mechanism(E), the normalized Pt L3?edge XANES spectra(F) and the normalized Pt L2?edge XANES spectra(G) of ALDPt/NGNs, Pt/C catalysts and Pt foil[77]
Copyright 2016， Springer Nature.
正文中引用本图/表的段落
相比复杂的碳缺陷构筑过程， 通过杂原子掺杂来引入单原子锚定位点是一种更易于操作的 方法［69~72］. 杂原子掺杂位点不仅可以与金属原子配位来实现高稳定性， 而且可以充分调节金属的电子结构［73~75］. 由于与碳的相似性与相容性， 具有吡啶N、 吡咯N、 石墨N、 季N和腈N等多种构型的氮原子［76］， 是单原子催化剂中使用最广泛的配位位点. Sun等［77］利用原子层沉积（ALD）技术制备了一种 高稳定性、 高活性的氮掺杂石墨烯负载Pt单原子催化剂（Pt/N-graphene）， HER性能测试结果是商业 Pt/C催化剂的37倍［图10（A）~（C）］. 结合同步辐射XAS、 HAADF-STEM和密度泛函理论（DFT）， 发现氮原子的引入增强了Pt原子和载体之间的相互作用， 从而使Pt锚定在N-graphene载体表面， 并且在 催化过程中能够始终保持原子级分散； 同时Pt原子和载体N原子之间杂化产生了独特的5d电子结构［图10（D）~（G）］.
Copyright 2019， Springer Nature. ... 1 ... 相比复杂的碳缺陷构筑过程， 通过杂原子掺杂来引入单原子锚定位点是一种更易于操作的 方法［69~72］. 杂原子掺杂位点不仅可以与金属原子配位来实现高稳定性， 而且可以充分调节金属的电子结构［73~75］. 由于与碳的相似性与相容性， 具有吡啶N、 吡咯N、 石墨N、 季N和腈N等多种构型的氮原子［76］， 是单原子催化剂中使用最广泛的配位位点. Sun等［77］利用原子层沉积（ALD）技术制备了一种 高稳定性、 高活性的氮掺杂石墨烯负载Pt单原子催化剂（Pt/N-graphene）， HER性能测试结果是商业 Pt/C催化剂的37倍［图10（A）~（C）］. 结合同步辐射XAS、 HAADF-STEM和密度泛函理论（DFT）， 发现氮原子的引入增强了Pt原子和载体之间的相互作用， 从而使Pt锚定在N-graphene载体表面， 并且在 催化过程中能够始终保持原子级分散； 同时Pt原子和载体N原子之间杂化产生了独特的5d电子结构［图10（D）~（G）］. ... 1 ... 相比复杂的碳缺陷构筑过程， 通过杂原子掺杂来引入单原子锚定位点是一种更易于操作的 方法［69~72］. 杂原子掺杂位点不仅可以与金属原子配位来实现高稳定性， 而且可以充分调节金属的电子结构［73~75］. 由于与碳的相似性与相容性， 具有吡啶N、 吡咯N、 石墨N、 季N和腈N等多种构型的氮原子［76］， 是单原子催化剂中使用最广泛的配位位点. Sun等［77］利用原子层沉积（ALD）技术制备了一种 高稳定性、 高活性的氮掺杂石墨烯负载Pt单原子催化剂（Pt/N-graphene）， HER性能测试结果是商业 Pt/C催化剂的37倍［图10（A）~（C）］. 结合同步辐射XAS、 HAADF-STEM和密度泛函理论（DFT）， 发现氮原子的引入增强了Pt原子和载体之间的相互作用， 从而使Pt锚定在N-graphene载体表面， 并且在 催化过程中能够始终保持原子级分散； 同时Pt原子和载体N原子之间杂化产生了独特的5d电子结构［图10（D）~（G）］. ... 1 ... 相比复杂的碳缺陷构筑过程， 通过杂原子掺杂来引入单原子锚定位点是一种更易于操作的 方法［69~72］. 杂原子掺杂位点不仅可以与金属原子配位来实现高稳定性， 而且可以充分调节金属的电子结构［73~75］. 由于与碳的相似性与相容性， 具有吡啶N、 吡咯N、 石墨N、 季N和腈N等多种构型的氮原子［76］， 是单原子催化剂中使用最广泛的配位位点. Sun等［77］利用原子层沉积（ALD）技术制备了一种 高稳定性、 高活性的氮掺杂石墨烯负载Pt单原子催化剂（Pt/N-graphene）， HER性能测试结果是商业 Pt/C催化剂的37倍［图10（A）~（C）］. 结合同步辐射XAS、 HAADF-STEM和密度泛函理论（DFT）， 发现氮原子的引入增强了Pt原子和载体之间的相互作用， 从而使Pt锚定在N-graphene载体表面， 并且在 催化过程中能够始终保持原子级分散； 同时Pt原子和载体N原子之间杂化产生了独特的5d电子结构［图10（D）~（G）］. ... 1 ... 相比复杂的碳缺陷构筑过程， 通过杂原子掺杂来引入单原子锚定位点是一种更易于操作的 方法［69~72］. 杂原子掺杂位点不仅可以与金属原子配位来实现高稳定性， 而且可以充分调节金属的电子结构［73~75］. 由于与碳的相似性与相容性， 具有吡啶N、 吡咯N、 石墨N、 季N和腈N等多种构型的氮原子［76］， 是单原子催化剂中使用最广泛的配位位点. Sun等［77］利用原子层沉积（ALD）技术制备了一种 高稳定性、 高活性的氮掺杂石墨烯负载Pt单原子催化剂（Pt/N-graphene）， HER性能测试结果是商业 Pt/C催化剂的37倍［图10（A）~（C）］. 结合同步辐射XAS、 HAADF-STEM和密度泛函理论（DFT）， 发现氮原子的引入增强了Pt原子和载体之间的相互作用， 从而使Pt锚定在N-graphene载体表面， 并且在 催化过程中能够始终保持原子级分散； 同时Pt原子和载体N原子之间杂化产生了独特的5d电子结构［图10（D）~（G）］. ... 1 ... 相比复杂的碳缺陷构筑过程， 通过杂原子掺杂来引入单原子锚定位点是一种更易于操作的 方法［69~72］. 杂原子掺杂位点不仅可以与金属原子配位来实现高稳定性， 而且可以充分调节金属的电子结构［73~75］. 由于与碳的相似性与相容性， 具有吡啶N、 吡咯N、 石墨N、 季N和腈N等多种构型的氮原子［76］， 是单原子催化剂中使用最广泛的配位位点. Sun等［77］利用原子层沉积（ALD）技术制备了一种 高稳定性、 高活性的氮掺杂石墨烯负载Pt单原子催化剂（Pt/N-graphene）， HER性能测试结果是商业 Pt/C催化剂的37倍［图10（A）~（C）］. 结合同步辐射XAS、 HAADF-STEM和密度泛函理论（DFT）， 发现氮原子的引入增强了Pt原子和载体之间的相互作用， 从而使Pt锚定在N-graphene载体表面， 并且在 催化过程中能够始终保持原子级分散； 同时Pt原子和载体N原子之间杂化产生了独特的5d电子结构［图10（D）~（G）］. ... 2 ... 相比复杂的碳缺陷构筑过程， 通过杂原子掺杂来引入单原子锚定位点是一种更易于操作的 方法［69~72］. 杂原子掺杂位点不仅可以与金属原子配位来实现高稳定性， 而且可以充分调节金属的电子结构［73~75］. 由于与碳的相似性与相容性， 具有吡啶N、 吡咯N、 石墨N、 季N和腈N等多种构型的氮原子［76］， 是单原子催化剂中使用最广泛的配位位点. Sun等［77］利用原子层沉积（ALD）技术制备了一种 高稳定性、 高活性的氮掺杂石墨烯负载Pt单原子催化剂（Pt/N-graphene）， HER性能测试结果是商业 Pt/C催化剂的37倍［图10（A）~（C）］. 结合同步辐射XAS、 HAADF-STEM和密度泛函理论（DFT）， 发现氮原子的引入增强了Pt原子和载体之间的相互作用， 从而使Pt锚定在N-graphene载体表面， 并且在 催化过程中能够始终保持原子级分散； 同时Pt原子和载体N原子之间杂化产生了独特的5d电子结构［图10（D）~（G）］. ...
本文的其它图/表
-
Fig.1
Typical XAS spectra(A)[30], the schematic illustration of the single(left) and multiple(right) scattering process of the excited photoelectrons(B)[43]（A） Copyright 2019， Springer Nature； （B） Copyright 2019， Royal Society of Chemistry.
-
Fig.2
Schematic diagram of three XAS detection modes(A), a photo of in situ XAS experiment setup(B) and diagram of the in situ cell(C)[30]Copyright 2019， Springer Nature.
-
Fig.3
Pt L3?edge XANES spectra of 0.18%(mass fraction) Pt/θ?Al2O3(A), XANES spectra before and after reduction treatment(B), EXAFS spectra(C) and EXAFS results before and after reduction(D)[58]Copyright 2013， American Chemical Society.
-
Fig.4
Pt L3?edge XANES spectra of Pt1/Co3O4, Pt1/CeO2, Pt1/ZrO2, Pt1/graphene, Pt foil and PtO2(A), the corresponding EXAFS spectra(B), DRIFTS spectra of Pt1/Co3O4, Pt1/CeO2 and Pt1/ZrO2(C), Pt4f XPS spectra of PtO2, Pt1/Co3O4, Pt1/CeO2, Pt1/ZrO2 and Pt1/graphene(D)[59]Copyright 2019， American Chemical Society.
-
Fig.5
Normalized Pt L3?edge XANES spectra(A) and temporal variation of Pt L3 white line intensity during a single cycle of redox operation(B)[60]Copyright 2016， American Chemical Society.
-
Fig.6
HAADF?STEM image of SANi?PtNWs(A), EELS mapping images(B,C), Pt L3?edge EXAFS spectra of Pt foil, PtO2, SANi?PtNWs(D), Ni K?edge EXAFS spectra of Ni foil, Ni(OH)2, SANi?PtNWs(E), HER LSV curves(F) and Pt mass normalized HER Tafel slope of Pt/C, pure?PtNWs, SANi?PtNWs(G), comparison of ECSA, specific activity(SA) and mass activity(MA) values at -70?mV(vs. RHE) of Pt/C, pure?PtNWs, SANi?PtNWs(H)[64]
-
Fig.7
HAADF?STEM image of Pd10@Pt1/ UiO?66?NH2(A) and the corresponding EXAFS spectra(B)[65]Copyright 2021， Oxford University Press.
-
Fig.8
Pt L3?edge XANES spectra of Au@Pt1.5Co0.08, Au@Pt1.5, Pt1.5Co0.08, Pt foil(A), Co K?edge XANES spectra(B) and Co K?edge EXAFS spectra of Au@Pt1.5Co0.08, Co foil, CoO, Co3O4(C), wavelet transform(WT) EXAFS spectra of Au@Pt1.5Co0.08, Pt1.5Co0.08, Au@Pt1.5 and Pt foil(D)[66]Copyright 2022， Science Press and Dalian Institute of Chemical Physics， Chinese Academy of Sciences.
-
Fig.9
Schematic synthesis diagram of Pt1/OLC(A), TEM image of Pt1/OLC(B), Pt L3?edge FT?EXAFS spectra of Pt1/OLC(red), along with PtO2(yellow), Pt foil(blue) and Pt ligands/OLC(black)(C), the corresponding normalized XANES spectra(D)[68]Copyright 2019， Springer Nature.
-
Fig.11
Schematic synthesis illustration of Al?TCPP?Pt(A), aberration?corrected HAADF?STEM image of Al?TCPP?0.1Pt(B), Pt L3?edge XANES spectra of Al?TCPP?0.3Pt, Al?TCPP?0.1Pt, and Pt foil(C), the corresponding k3?weighted EXAFS spectra(D), DRIFT spectra of CO adsorbed on AlTCPP?0.1Pt(E), photocatalytic hydrogen production rates of Al?TCPP, Al?TCPP?PtNPs and Al?TCPP?0.1Pt(F), recycling performance comparison for Al?TCPP?PtNPs and Al?TCPP?0.1Pt(G), the comparison of the ultrafast TA kinetics(H), the calculated free energy diagram for photocatalytic H2 production(I)[81]Copyright 2018， Wiley‐VCH.
-
Fig.12
Schematic synthesis diagram of Pt1/Co1NC(A), HAADF?STEM image(B), EDX mapping images of Pt1/Co1NC(C,D), Pt L3?edge XANES spectra for Pt1/Co1NC and references(E), Fourier transform and wavelet transform Pt L3?edge EXAFS spectra(F), polarization curves of Co1NC, Pt1/Co1NC, PtNP/NC, and 20%(mass fraction) Pt/C(G), polarization curves of Pt1/Co1NC and 20%(mass fraction) Pt/C before and after 5000 CV cycles(H)[85]Copyright 2022， Elsevier.
|
