宫建茹/谭婷AM：多孔2D催化剂助力光电化学水氧化

在二维（2D）材料覆盖下的受限催化已成为在各种重要反应中获得高效催化剂的一种有前途的方法。基于此，国家纳米科学与技术中心宫建茹研究员和谭婷研究员等人报道了一种多孔覆盖结构，以提高2D覆盖催化剂的界面电荷和传质动力学，即基于n-Si基底的涂覆有多孔石墨烯（pGr）单层的NiO_x薄膜模型电催化剂的n-Si/TiO₂/NiO_x/pGr光阳极具有优异的光电化学氧化析出反应（OER）。结果表明，对比本征石墨烯覆盖物和无覆盖物的对照样品，pGr覆盖物通过平衡光阳极和电解质界面处的电荷和传质来增强OER动力学。

通过密度泛函理论（DFT）计算，作者研究了n-Si/TiO₂/NiO_x/pGr光阳极中覆盖孔径对pGr覆盖的NiOx电催化剂固有活性的影响。OER过程中，NiO_x的活性物种是具有层状结构的NiOOH，其中羟基化表面比表面氧原子一半羟基化的化学计量表面具有更高的催化活性。

作者首先构建了一个羟基化的NiOOH板来代表NiO_x(M)，接着构建原始的Gr覆盖体系（Gr）被小孔径pGr覆盖的体系，即C1（pGr/C1）和C4（pGr/C4），分别具有相应的单-碳和四-碳原子空位。此外，采用锯齿形（pGr/ZZ）和扶手形（pGr/AC）的边缘模型来表示孔径较大的pGr。边缘的悬空键在OER条件下具有高活性，因此仔细评估边缘的氧化。

通过DFT计算，未覆盖NiOOH的过电位为0.54 V，而原始Gr的覆盖使过电位高达0.81 V。作者还进一步研究了各种pGr覆盖NiOOH模型中缺陷附近位点的催化活性，缺陷位点上的欠配位碳原子与吸附的O和OOH相互作用，稳定中间体并降低过电位。

随着孔隙尺寸从C1和C4空位扩大到边缘模型呈现的更大孔隙，OER活性增加，过电位降低。当孔边缘被氧化形成C=O基团时，*OOH基团中的氢原子与C=O基团中的氧原子形成氢键，进一步稳定了结构，导致过电位更低。结果表明，pGr边缘是增强OER活动的关键。

Porous 2D Catalyst Covers Improve Photoelectrochemical Water-oxidation Performance. Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202211008.

https://doi.org/10.1002/adma.202211008.

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宫建茹/谭婷AM：多孔2D催化剂助力光电化学水氧化

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