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茂金属分子/金属有机框架微孔限域调控的过渡金属纳米异质结电催化性能研究

批准号:
52062003
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
35.0 万元
负责人:
刘毅
依托单位:
学科分类:
无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘毅

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
调控活性位点电子结构是实现材料电催化(氧析出和氧还原反应)性能高效提升的关键。当前对精细电子结构的有效调变仍面临极大挑战。针对这一关键科学问题,本项目设计合成一类新型的纳米异质结构,通过对异质界面结构的控制,深入解析从材料微结构调变电子结构的电催化反应机制。拟采用高度可设计的多孔化金属有机框架为限域载体,引入过渡族茂金属分子基团,通过有序微孔空间限域控制主客体配位金属及有机配体的演化过程,衍生构建多孔碳负载的Ni, Co, Fe, Mn基过渡金属纳米异质结构。深入研究从聚合物前体的空间拓扑结构到无机衍生物微结构的定向演化机制,通过有机框架载体多孔结构的理性设计和控制性衍生手段,对异质界面组分、形态、尺寸、原子排布、缺陷等进行有效调控,进而调变活性位点的精细电子结构和电催化反应能垒,揭示微结构-电子行为-催化活性之间的内在调制关系,为高效非贵金属电催化材料的可控设计和性能调控提供新的策略。
英文摘要
Controlling the electronic structure of the active sites is the key to improve the electrocatalytic performance (oxygen evolution and oxygen reduction reactio)of materials. At present, the effective modulation of fine electronic structure is still facing great challenges in methods and means. Aiming at this key scientific problem, this project designs and synthesizes a new type of nano heterostructure. The electrocatalytic reaction mechanism of electronic structure modulation by controlling of the heterogeneous interface structure will be deeply analyzed. It is proposed to use highly designable porous metal-organic frameworks as confinement template and introduce transition metallocene as confinement guest molecules. By controlling the evolution of host-guest coordination metals and organic ligands through ordered microporous space confinement, porous carbon supported Ni, Co, Fe, Mn based transition metal nanostructures are derived and constructed. The mechanism of rational design and evolution from the spatial topological structure of polymer precursor to the microstructure of inorganic derivative will be studied. The composition, morphology, size, atomic arrangement and defects of heterogeneous interface can be effectively controlled by reasonable design of porous structure of organic framework and controllable derivation method, so as to change the fine electronic structure and electrocatalytic reaction energy barrier of active sites. The internal regulatory relationship among the microstructure, electronic behavior and catalytic activity of materials is revealed, which provides a new strategy for the controllable design of high-efficiency non noble metal electrocatalytic materials.
项目以多孔化金属有机框架为限域载体,金属配合物为限域客体,通过多级孔空间限域衍生构建过渡金属纳米异质结、合金、单原子等多形态的电催化材料。深入研究从复合物前体的空间拓扑结构到衍生物微结构的定向演化机制,对材料组分、形态、尺寸、晶相、自旋等进行有效调控,进而调变电催化电子结构。. (1)多孔载体限域合成设计合金催化剂。以Co-BDC金属有机框架为多孔载体,茂金属分子为限域配合物,合成二维片层聚合物前体,通过控制性热处理,得到碳包裹的Co-M(M=Ni,Co,Fe,Ru)合金催化剂材料,调控双金属间的协同催化效应,使合金催化剂具有较高的OER催化活性和反应动力。. (2)调控电子自旋极化以促进电催化反应。以双金属配位金属有机框架CoNi-BDC为前体,制备了具有室温铁磁性的CoNi纳米合金催化材料;外加磁场显著提高了催化剂的析氧活性,这种磁增强效应源于外磁场下过渡金属自旋极化增强对电子转移和氧吸附的促进。. (3)低温等离子体调控催化活性位点。采用射频Ar等离子放电对Ir@Cu-BDC复合物进行碳化处理得到Ir-Cu/C复合电催化剂,Ar等离子体作用使得Ir呈现单原子形态,增加了金属活性位点的催化使用率,催化剂显示出较高的OER活性。将Pt金属纳米颗粒负载在金属有机框架上(Pt/Zn-BDC),采用射频N等离子体作用对Pt位点进行调控,等离子体处理诱导了Pt-N相互作用,从而调节了Pt的化学配位和电子结构,显著提高了催化剂的ORR反应活性和动力。. (4)晶相调控以促进电催化反应。采用机械球磨方式将不同含量的Ru与金属有机框架ZIF-67混合热解碳化,得到Ru/Co-C催化剂。Ru掺杂改变了Co的晶相结构,即Co晶体中立方相和六角相含量随着Ru的掺杂发生变化。所获得的双相Ru-Co/C催化剂在酸性和碱性介质中均表现出增强的HER活性和稳定性。. (5)异质结构造调控电催化活性。构筑COF3/ZIF-67异质结构杂化材料,通过热解得到负载在多孔碳上的金属催化剂Co@NC。该催化剂具有高密度的Co纳米颗粒活性位点,COF3中富氮基团的N与Co形成良好的协同效应,调节了活性位点电子结构,提高了电催化剂的OER本征活性。
基于金属-有机配位化合物的有序介孔金属氧化物制备和性能研究
  • 批准号:
    21261006
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    48.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    刘毅
  • 依托单位:
国内基金
海外基金