凝聚态计算与理论物理研究所苏志鑫同学在单原子催化剂设计方面取得新进展

文章作者: 访问次数: 发布时间:2020-08-18

近日,我院2018级研究生苏志鑫同学在任晓燕副教授和李顺方教授共同指导下在无缺陷异质结衬底上高效单原子催化剂设计方面取得新进展,该工作以“Synergetic Role of Charge Transfer and Strain Engineering in Improving the Catalysis of Pd Single-Atomic-thick motifs Stabilized on Defect-free MoS2/Ag(Au)(111) Heterostructure”为题发表在国际著名期刊Journal of Materials Chemistry A.(影响因子:11.301)。见Zhixin Su(苏志鑫), Rui Pang(庞瑞), Xiaoyan Ren(任晓燕), Shunfang Li(李顺方),Synergetic Role of Charge Transfer and Strain Engineering in Improving the Catalysis of Pd Single-Atomic-thick motifs Stabilized on Defect-free MoS2/Ag(Au)(111) Heterostructure, Journal of Materials Chemistry A(2020)   文章链接https://doi.org/10.1039/D0TA05479H

近十年来,单原子催化剂的理论设计和实验制备已经成为催化领域国际研究热点之一。随着制备方法和技术手段的提升,研究人员将纳米过渡族金属颗粒高度分散在各种合适衬底上,形成原子团簇,甚至原子级高度离散的单原子催化剂(SAC)体系。各种实验和理论研究表明,在衬底上增强过渡族金属单原子和衬底之间的电荷转移和轨道杂化等金属-载体相互作用(EMSI)会对单原子的稳定性和催化活性造成显著影响。然而金属单原子通常被钉扎在氧化物衬底的氧缺陷或一些衬底的台阶缺陷位置处,而这些衬底表面上的本征缺陷位点数目有限,因而能够稳定的单原子活性位点的负载率偏低,已经成为制约单原子催化剂产业化的主要瓶颈。

研究团队提出,突破当前单原子催化剂往往局限在衬底缺陷位上的设计和制备思路,可能是未来制备高负载、稳定、高效单原子催化剂的重要发展方向。在任晓燕和李顺方老师的指导下,苏志鑫硕士生采用第一性原理计算方法,以二维材料MoS2为典型例子,发现当单层无缺陷MoS2外延覆盖在Ag(Au)(111)上时,由于MoS2和金属衬底之间的晶格失配引起的应力作用以及明显的功函数差异,金属衬底对MoS2进行电荷注入和轨道杂化形成MoS2/Metal异质结,并显著调控了二维材料MoS2的电子结构。通过和无金属基底的自由MoS2衬底以及施加理论应力的MoS2衬底对比,研究发现,当Pd原子沉积在MoS2/Metal异质结衬底上时,应力和电荷转移的协同作用进一步增强了Pd在MoS2/Metal异质结衬底中MoS2表面上的结合能和扩散势垒,从而抑制了Pd原子扩散成核,有利于形成具有单原子层厚(Single-atom-thick, SAT)的稳定Pd纳米结构,即SAT-Pd。这些SAT-Pd结构中的Pd原子之间在CO催化氧化反应过程中具有显著的协同电荷转移作用(见示意图),从而表现出比SAC-Pd更加优越的催化性能,决速步势垒被有效降低到0.4〜0.6 eV。本研究为在无缺衬底上制备高效、稳定的单原子尺度催化剂提供了新思路。该工作得到了国家自然科学基金项目和郑州大学物理学院物理学科提升计划的支持。

相关研究成果

1)“Synergetic effects of strain engineering and substrate defects on generating highly efficient single-atom catalysts for CO oxidation”, Ke Zhao, Yandi Zhu, Jinlei Shi, Xingju Zhao, Rui Pang, Xinlian Xue, Xiaoyan Ren*, Xiangmei Duan, Z. X. Guo and Shunfang Li*, J. Mater. Chem. A, 7, 9297 (2019)

2)“Strain Engineering of a Defect-Free, Single-Layer MoS2 Substrate for Highly Efficient Single-Atom Catalysis of CO Oxidation, Yandi Zhu, Ke Zhao, Jinlei Shi, Xiaoyan Ren, Xingju Zhao, Yuan Shang, Xinlian Xue, Haizhong Guo, Xiangmei Duan, Hao He*, Zhengxiao Guo and Shunfang Li*, ACS Appl. Mater & Interfaces11, 32887−32894 (2019)

3)“Inter-chain double-site synergistic photocatalytic hydrogen evolution in robust cuprous coordination polymers”, Ying Zang, Jiangwei Zhang, Rui Wang, Zhao-Di Wang, Yandi Zhu, Xiaoyan Ren, Shunfang Li*, Xi-Yan Dong and Shuang-Quan Zang*, Chem. Commun.56, 6261 (2020).

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