ACSCatal.:电催化剂增强Pt-N配位实现高效的氧还原反应

华算科技 2024-02-15 21:54:27

浙江大学孙文平和中国科学技术大学Xusheng Zheng等设计S 掺杂的石墨氮化碳 (SGCN) 担载的 Pt 异质结构电催化剂,其中高活性异质结界面实现快速氧还原反应 (ORR)。Pt 物种的配位和电子结构通过 S 掺杂增强的 Pt-N 键合来调节,这会在相邻的 C 和 N 原子中引起电子缺陷,从而增强金属-载体的相互作用。S掺杂石墨氮化碳(SGCN)负载的Pt异质结电催化剂表现出优异的 ORR 性能,半波电位为 0.91 V,质量活性为 0.68 A mgPt-1。

差分电荷密度揭示Pt 到 SGCN 载体的电子转移;相比20Pt/GCN,20Pt/SGCN-550的Pt d带中心远离费米能级,导致 Pt 对含氧中间体结合较弱;催化剂和吸附中间体的反键轨道向费米能级移动,导致反键轨道的填充度增加,因此降低吸附物的结合能;20Pt/SGCN-550上弱化的中间体键合强度有利于OH*的脱附,在Pt表面释放更多的活性位点,因此更有利于实现更快的氧还原动力学。

另外,20Pt/GCN 和 20Pt/SGCN-550催化氧还原过程中,OH-的形成过程是速率决定步骤 (RDS)。OH-形成过程的吉布斯自由能(ΔG)从 20Pt/GCN 的 -0.51 eV 降低到 20Pt/SGCN-550 的 -0.54 eV,证实由 S 掺杂到 GCN 中诱导的 Pt-N 键合增强可以加速 RDS。将 S 原子掺入 GCN 会增强载体和 Pt 之间的界面相互作用,优化 Pt 活性位点的配位和电子结构,最终改善氧还原反应性能。

Yaping Chen, Xusheng Zheng et al. Sulfur Doping Triggering Enhanced Pt−N Coordination in Graphitic Carbon Nitride-Supported Pt Electrocatalysts toward Efficient Oxygen Reduction Reaction. ACS Catal. 2022, 12, 7406−7414

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