近常压XPS原位研究钨原子团簇的组装及其碱性电催化析氢反应机制
批准号:
22109171
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陈志刚
依托单位:
学科分类:
氢能源化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈志刚
中文摘要
碳嵌入钨晶格中使得碳化钨材料在费米面附近具有较高的d-band电子态密度,非常类似于贵金属铂,因此,被预测在电催化产氢(HER)领域具有取代贵金属铂的属性。目前通过形貌调控、掺杂、界面工程、相调控、单原子等手段,虽然已经使得碳化钨基材料在碱性环境中的HER性能逐步逼近贵金属铂,但是离理论预测仍存在差距。主要原因是碳化钨对碱性HER反应中间产物H*和OH*的吸附太强导致的析氢过电位增大和深度氧化腐蚀难题。本项目采用单原子钨作为母材,通过热迁移团聚策略,主要聚焦于类铂结构钨原子团簇材料的可控制备及其碱性HER催化反应的应用。拟借助近常压XPS(NAP-XPS)的变温测试技术和与手套箱互联的功能实现对钨原子团簇从组装到碱性HER反应机理的一体化原位研究,为廉价、高效、稳定的类铂碳化钨基碱性HER催化剂的精细设计提供坚实的实验依据。
英文摘要
The intercalation of carbon atoms into the lattice of the tungsten can afford tungsten carbide materials with higher d-band electronic density of states (DOS) near the Fermi level and hence characteristics resembling those of noble Pt, endowing them with Pt-like behavior in electrocatalytic hydrogen evolution reaction (HER). The alkaline HER performance of tungsten carbide-based materials synthesized by morphology control, doping, interface engineering, phase regulation, tungsten single atoms and so forth, is close to that of commercial Pt catalysts, but the gap still exists based on the theoretic prediction due to the strong interaction between active sites within tungsten carbide materials and the HER intermediates (H* and OH*), which gives rise to the larger hydrogen evolution overpotentials and the deep oxidation corrosion problem. Herein, we mainly focus on the the synthesis of tungsten atomic clusters using tungsten single atoms as parent materials via thermal migration strategy, as well as their application of alkaline HER electrocatalysis. In-situ study of the assembly mechanism and alkaline HER process of tungsten atomic clusters is performed by the variable temperature XPS measurement and the operando electrocatalysis in glove box, respectively, which provides solid experimental evidence towards the synthesis of low-cost, highly efficient, stable and Pt-like tungsten carbide-based alkaline HER catalysts.
与酸性环境相比,碱性电解水析氢反应(HER)具有相对惰性的水解和脱氢步骤。针对上述弊端,本项目利用先进的形貌和谱学技术,进行了系列碱性HER催化剂的合成与应用,主要研究包含以下四个方面:(1)升温状态下,近常压X-射线光电子能谱(NAP-XPS)原位探测单原子钨-W-W双位点团簇中间产物-碳化钨纳米颗粒的生长机制,手套箱(内置电化学工作站)与NAP-XPS真空互联准原位解析W-W双位点团簇材料高效催化碱性HER的工作机制;(2)非常规偏铝酸根(AlOx-)修饰Ti3C2 MXenes基底负载Mo单原子和CoOx团簇(Mo-CoOx@MXene-Al),通过多位点协同效应促进碱性HER催化性能;(3)碱性电解液环境中,W/WO2异质结固体酸材料表面自发构建类酸催化层,稳定钨位点的同时,加速碱性HER催化反应动力学;(4)针对WO2表面类酸位点的重生和循环,通过引入贵金属Ru单原子位点加速氢质子的吸脱附动力学,进而促进碱性HER反应性能。在完成项目拟定的W-W双位点团簇生长机制和碱性HER反应过程探测的同时,本项目通过设计Mo-CoOx@MXene-Al,W/WO2,Ru SAC@WO2等复合材料,证明了催化剂表面类酸催化环境的构建和加速的酸质子吸脱附过程能够可以大幅提升其碱性HER性能,从而拓宽了碱性HER材料体系和催化理念。
高性能W-Fe双位点氧还原电催化剂的开发
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批准号:CSTB2023NSCQ-MSX0315
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2023
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负责人:陈志刚
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依托单位:
国内基金
海外基金