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王君/李倩倩/徐成彦Nano Energy：调控多孔碳纤维上单原子Ni的配位环境助力整体水分解

时间：2022-05-01 来源： 浏览：

王君/李倩倩/徐成彦Nano Energy：调控多孔碳纤维上单原子Ni的配位环境助力整体水分解

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金属原子的配位环境是设计高性能单原子催化剂（single-atom catalysts, SACs）的核心，其应该提供适当的金属载体相互作用（metal-support interaction）。
基于此， 哈尔滨工程大学王君教授、上海大学李倩倩副研究员和哈尔滨工业大学（深圳）徐成彦教授（共同通讯作者）等人 报道了一种配位环境调节策略，通过将不同的杂原子（如N、N-B、N-P、N-S）引入多孔碳纳米纤维（CNFs）来调节Ni的d-带中心，以优化几何和电子结构孤立的Ni原子，从而调整Ni中心和中间体之间的相互作用，进而实现有效的水分解。
通过改变掺杂原子种类，作者研究了Ni单原子周围的配位微环境对几何结构和电子结构的影响。二级杂原子的引入将突破单个Ni位点周围对称电荷分布的限制，有助于极化电荷分布并影响电子态向费米能级。
实验和理论结果表明，Ni原子的d-带中心与三个N原子和一个P原子耦合是最佳配位（Ni-N, P/CNFs），与含H/O的中间体产生有利的结合，显示出对析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和整体水分解的最佳电催化性能。
实验测试发现，Ni-N, P/CNFs对于酸性HER、碱性HER和OER，分别仅需要38、84和330 mV的超低过电位就能实现10 mA cm -2 的电流密度。受优异的HER和OER性能启发，Ni-N, P/CNFs在电流密度为10 mA cm -2 电流密度下呈现出1.67 V的低电池电压。
实验观察和计算模拟清楚地揭示了具有Ni-N 3 -P配位结构的明确定义的单原子分散。Ni原子的d-带中心位置通过与不同物种的配位适度调节，导致与含H/O中间产物的适当结合，不会太强或太弱，从而优化水分解活性。这种调制d-带中心的概念有助于深入了解SACs的设计和性能优化。
Modulating the d-band centers by coordination environment regulation of single-atom Ni on porous carbon fibers for overall water splitting. Nano Energy, 2022 , DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107266.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107266.

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