李玉良/薛玉瑞JACS：石墨炔上控制金属原子阵列生长用于海水氧化！

研究内容

先进的原子级异质界面工程为制备下一代催化剂提供了一种很有前途的方法。传统的碳基异质界面催化性能在复杂而苛刻的制备过程中严重依赖于未确定的缺陷，导致无法控制催化性能。

山东大学/中国科学院化学研究所李玉良和山东大学薛玉瑞 提出了一种在石墨炔上控制金属原子阵列生长(GDY/IrCuO x )的通用方法，并且在生长过程中存在强烈的异质界面应变。作者成功地控制了GDY的厚度以调节异质界面金属原子，并在界面处实现了压缩应变。实验和密度泛函理论计算结果表明，GDY与金属原子之间独特的不完全电荷转移导致GDY与IrCuO x 之间形成强相互作用和显著的异质界面压缩应变，在283 mV的低过电位下具有1000 mA cm -2 的高氧化性能，在碱性模拟海水中具有大电流密度下的长期稳定性。相关工作以“ Controlled Growth of Metal Atom Arrays on Graphdiyne for Seawater Oxidation ”为题发表在国际著名期刊 Journal of the American Chemical Society 上。

研究要点

要点1. 作者提出了一种简单而通用的方法，通过控制超薄GDY膜在IrCuO x 纳米线上的生长，获得用于碱性模拟海水氧化的GDY/IrCuO x 异质结构催化剂。

要点2. 实验结果表明，GDY的生长可以导致异质界面压缩应变的形成，该应变可以通过GDY的厚度有效地调节，能够优化GDY/IrCuO x 的催化活性，用于广泛的应用。

要点3. 结合实验和理论结果表明，GDY与金属原子之间产生的异质界面应变和不完全的电荷转移确保了模拟碱性海水产生大电流密度氧气的优异电催化活性和长期稳定性。例如，当压缩应变达到～3%时，GDY/IrCuO x 可以在283 mV的过电位下提供1000 mA cm -2 ，比所有报道的电催化剂都要好。

这一发现将有助于构建高性能的多相界面结构，从而在催化领域开发新一代基于GDY的异质结催化剂，以获得未来有希望的性能。

研究图文

图1. （a，b）具有不同GDY厚度的GDY/IrCuO x 的合成路线的示意图。首先将Cu泡沫氧化成Cu(OH) 2 ，然后浸入含Ir离子的溶液(IrCl 3 ·3H 2 O)中，驱动Ir和Cu的交换，导致Ir原子掺杂到Cu基体中。然后将所得材料在200°C的Ar中退火以产生IrCuO x 。通过原位偶联反应制备最终的GDY/IrCuO x 催化剂。（c）IrCuO x 和具有（d）～1、（e）～3、（f）～16和（g）～26 nm的GDY膜的GDY/IrCuO x 的HRTEM。（h）异质界面应变产生示意图。（i）应变GDY/IrCuO x 的OER催化途径。（j）应变GDY/IrCuO x (分别为3%和2%压缩应变)和零电位下无应变GDY的自由能图。

图2.（a，b）IrCuO x 和（e，f）GDY/IrCuO x 的HRTEM。（c，d）IrCuO x 和（g，h）GDY/IrCuO x 的HAADF-STEM。沿[0001]方向的GDY/IrCuO x 中GDY层的（i）HRTEM，（j）模拟HRTEM、（k）SAED和（l）模拟SAED。（m）IrCuO x 和（n）GDY/IrCuO x 的界面结构。插图：从界面到内部(黄色虚线框)沿着(31 1 )平面的原子间距的积分像素强度。IrCuO x 和GDY/IrCuO x 中（o）G带和（p）-C≡C-的>60次单独扫描的峰值模式的拉曼光谱分布。覆盖在每个分布上的虚线表示分布数据的高斯拟合。

图3.（a）IrCuO x 和（b）~1，（c）~3，（d）~16和（e）~26 nm GDY的GDY/IrCuO x 的ε xx 分析的GPA图像。ε xx 沿w的分布穿过（f）IrCuO x 和（g）～1到（h）～3，（i）～16和（j）～26 nm GDY的GDY/IrCuO x 界面的方向。从，沿着（k）IrCuO x 和（l）～1，（m）～3，（n）～16和（o）～26 nm GDY的GDY/IrCuO x 的(11 1 )晶面的界面ε xx 的线轮廓。

图4.（a）模拟碱性海水的OER示意图。（b）样品的LSV曲线。（c）GDY/IrCuO x 的OER在100、200和500 mA cm -2 下的ε xx 与过电位之间的关系。（d）不同ε xx 值下GDY/IrCuO x 超电势的变化。（e）不同GDY厚度为～1、～3、～16和～26 nm时GDY/IrCuO x 的ε xx 和Tafel斜率(插图：具有ε xx 值的Tafel斜率)。（f）GDY 3nm /IrCuO x 的OER活性与已报道的催化剂的比较。（g）GDY 3nm /IrCuO x 的循环稳定性和（h）长期稳定性测试。

图5.（a）GDY、GDY 3nm /IrCuO x 和GDY 16nm /IrCuO x 的高分辨率C 1s XPS。（b）GDY和GDY/IrCuO x 的差分电荷密度。（c）无应变GDY和应变GDY/IrCuO x 的PDOS。（d）Cu、（e）Ir和（f）O元素在不同压缩应变下的状态变化。（g） GDY 3nm /IrCuO x 在催化过程中的C 1s、（h）O 1s和（i）Cu 2p 3/2 XPS光谱。

文献详情

Controlled Growth of Metal Atom Arrays on Graphdiyne for Seawater Oxidation

Lu Qi, Yaqi Gao, Yang Gao, Zhiqiang Zheng, Xiaoyu Luan, Shuya Zhao, Zhaoyang Chen, Huimin Liu, Yurui Xue,* Yuliang Li*

J. Am. Chem. Soc.

DOI : https://doi.org/10.1021/jacs.3c14742

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