▲第一作者：李卫东，赵运宣；通讯作者：卢思宇，黄勃龙
论文DOI：10.1002/anie.202013985以碳点负载的CoRu合金为研究对象，通过调节Ru的掺杂量，制备了不同形变率的CoRu合金和碳点复合材料催化剂（CoRu/CQDs），用于高效的电解水和氨硼烷水解双功能制氢，表现出了优异的催化活性和循环稳定性，并可交替循环用于电解水产氢（HER）和氨硼烷（AB）水解产氢。作者首次提出“交替循环”的性能表征方法，为双功能催化剂的设计和评价提供新的思路。氢能是一种清洁、绿色的可再生能源，是化石能源的有效替代品。目前常用的产氢方式为电催化HER以及化学储氢材料（AB, NH3BH3）水解制氢。单一功能的HER和AB水解催化剂已被广泛研究，然而，能同时应用于二者的催化剂仍鲜有报道。因此，开发高效、稳定的催化剂能同时应用于HER和AB水解制氢将极大的促进氢气的有效利用，推动氢能的飞速发展。钴(Co)是一种储量丰富的低成本过渡金属，被广泛应用于AB的水解，但Co-H键键能较弱，HER活性较差。钌（Ru）是一种价格仅为铂（Pt）的三分之一的贵金属，而Ru-H键的键能与Pt-H键键能较为接近，Ru和H原子之间的强相互作用降低了H2的解吸效率，减缓了整体的HER动力学，因此将Ru引入到Co中可以平衡金属与H原子的相互作用，加快H2的解吸效率。此外，由于原子半径的不同（Co：126 pm，Ru：132 pm），将Ru引入到Co中能够引起CoRu合金的晶格拉伸，改变其晶格参数和成键电子能级，从而提升催化活性。要点一：成功地合成了不同钌含量和不同程度的钌钴合金晶格应变的CoRu/CQDs催化剂。钴和钌的有效电子耦合以及相关的应变效应导致更快的界面电子转移动力学，从而提高催化性能。Ru的引入能够引起CoRu合金的晶格拉伸，当Ru的含量为1.33 wt.%时，CoRu0.5/CQDs的晶格形变率最大（2.27%）。要点二：X射线吸收光谱证实，钌的加入极大地改变了钴的电子结构，导致电活性和氢吸附强度之间的完美协调，以确保有效的氢生成。要点三：CoRu0.5/CQDs在七个交替循环中对HER和AB水解都表现出优异的循环稳定性，表明该催化剂在未来制氢应用中具有优异的潜力。当用于HER时，CoRu0.5/CQDs在1 M KOH中达到10 mA cm-2的电流密度，过电位为18 mV，经过5000圈CV循环后，催化活性无明显衰减；当用于氨硼烷水解产氢时，室温下TOF值为3255.4 mol(H2) mol−1(Ru) min−1，经过7次循环，催化活性无明显衰减，二者均是已报道的产氢催化剂中最佳的催化活性之一。作者将一次HER加一次氨硼烷水解定义为一个“催化循环”，CoRu0.5/CQDs经过7个催化循环依然能够保持较高的催化活性。要点四：Ru的引入改变了电子结构，使得活性与吸附强度之间达到平衡，保证了最佳的局部电子环境。DFT理论计算表明：通过加入少量的Ru实现了最佳的合金电子结构，Co和Ru的耦合使界面电子快速转移到反应中间体，Ru位点促进了H2O分子的吸附，Co位点促进了H2的解吸，活性与吸附强度之间的平衡，保证了最佳的局部电子环境，从而实现高效的析氢。本文以碳点负载的CoRu合金为研究对象，通过调节Ru的掺杂量，制备了不同形变率的CoRu合金和碳点复合材料催化剂（CoRu/CQDs），应变效应导致更快的界面电子转移动力学，从而提高催化性能。同步辐射和理论计算结果表明，Ru的引入改变了最佳的合金电子结构，活性与吸附强度之间的平衡，保证了最佳的局部电子环境，从而赋予了它优异的双功能催化活性。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202013985卢思宇，博士，郑州大学副教授、博士生导师、中国化学快报（Chinese Chemical Letter）青年编委。2005-2009吉林大学物理学院；2009-2012吉林大学超硬材料国家重点实验；2013-2016吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室，师从杨柏教授；2013年7月-2014年2月，中科院物理所孟胜老师课题组访学；2014年3月-2015年5月在加拿大萨省大学物理学院计算首席John S. Tse院士课题组访学；2016年7月-至今，郑州大学化学与分子学院，副教授，博士生导师，郑州大学首批青年拔尖人才。研究兴趣和成果：卢思宇主要从事光电纳米晶的合成和性质研究。 (1) 光电纳米晶（碳点、半导体等）设计制备、性质及其杂化体系在显示，能源应用研究； (2) 催化、超导结构预测等第一性原理计算研究。2017年迄今在Angew. Chem. Int. Edit. (4), Adv. Mater (3), Adv. Sci.(3), Nature comm (1), Nano Energy(2), Applied Catalysis B: Environmental(1)，J. Mater. Chem. A., SCIENCE CHINA Chemistry, 等期刊共发表文章65篇，第一作者和通讯文章41篇，论文他引2000余次，h因子21；11篇论文入选ESI高被引论文。http://www.siyu-group.com/about/
目前评论：