Ανασκόπηση για την εγγενή ηλεκτροκαταλυτική δραστηριότητα των νιτριδίων μετάλλων μεταπτώσεως

Δημοσίευσαν το έργο τους στις 21 Δεκεμβρίου^αγ σε Προόδους Ενεργειακών Υλικών.

«Η ηλεκτροκαταλυτική αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου (HER) παράγει σημαντική ενέργεια υδρογόνου με διάσπαση του νερού χωρίς εκπομπή άνθρακα, η οποία παίζει επίσης βασικό ρόλο στη βιομηχανία ηλιακής φωτοτάσης και αιολικής ενέργειας». είπε ο συγγραφέας της εργασίας Jinfeng Sun, αναπληρωτής καθηγητής Σχολή Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών, Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Hebei. «Τα TMN έχουν θεωρηθεί ως ηλεκτροκαταλύτες τύπου Pt για ηλεκτρονικές δομές τύπου Pt, με αποτέλεσμα υψηλές ηλεκτρονικές αγωγιμότητες, ισχυρές χημικές σταθερότητες και εξέχουσες ηλεκτροκαταλυτικές δραστηριότητες στο HER».

Ο Sun εξήγησε ότι τα TMN έχουν πολλά σημαντικά πλεονεκτήματα ως εναλλακτική λύση στους ηλεκτροκαταλύτες HER με βάση Pt, ιδιαίτερα υψηλή μεταλλική αγωγιμότητα, αντίσταση στη διάβρωση και δομή d-band παρόμοια με Pt, που είναι υπεύθυνα για τις εγγενείς δραστηριότητες HER.

«Αν και οι ηλεκτροκαταλυτικές επιδόσεις ορισμένων TMNs έχουν βρεθεί πιο αποτελεσματικές από τα αρχικά μέταλλα μετάπτωσης και άλλες μεταλλικές ενώσεις μετάπτωσης, οι ηλεκτροκαταλυτικές δραστηριότητες των TMN εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά περιθώρια βελτίωσης ως υποσχόμενοι υποψήφιοι Pt». είπε ο Sun. «Εδώ, επανεξετάστηκαν οι πρόσφατες στρατηγικές βελτίωσης για τις εγγενείς ηλεκτροκαταλυτικές δραστηριότητες των καταλυτών TMN στο HER με ηλεκτρονική διαμόρφωση δομής, όπως όψη, κράμα, ντόπινγκ, κενή θέση, ετεροδομή καθώς και υβριδισμός».

«Ανισότροπες όψεις με υψηλή ενέργεια και ισότροπες μη όψεις με ακόρεστο συντονισμό επιτάχυναν αποτελεσματικά τις εγγενείς δραστικές ουσίες των TMN προσαρμόζοντας τις δομές ηλεκτρονίων με κέντρο ζώνης d κοντά στο επίπεδο Fermi. Σε σύγκριση με τα κρυσταλλικά αντίστοιχα, οι εγγενείς ηλεκτροκαταλυτικές δραστηριότητες των TMNs θα μπορούσαν να ενισχυθούν αξιοσημείωτα από τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων της ακόρεστης άμορφης δομής. είπε ο Sun. «Αλλά η σύνθεση ελέγχου των επιθυμητών όψεων και ο ακριβής βαθμός ακόρεστων καθώς και η ρύθμιση της θέσης της ακόρεστης τοποθεσίας ήταν πολύ δύσκολη. Επιπλέον, οι ατομικές διαμορφώσεις των άμορφων μη όψεων δομών ήταν επαχθής για τον προσδιορισμό, αποκαλύπτοντας επίπονα τον μηχανισμό HER.»

Ο Sun είπε ότι η πυκνότητα ηλεκτρονίων του ατόμου ντόπινγκ ήταν ο κύριος παράγοντας επιρροής στις ηλεκτροχημικές δραστηριότητες των TMN. Το ετερο-ντόπινγκ μέταλλο με σχετικά χαμηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων ζώνης d (π.χ. V ή Nb) ήταν η πιο αποτελεσματική στρατηγική για τη βελτίωση της ενδογενούς δραστηριότητας από άλλες. Η στρατηγική περιορίστηκε από την ετερογενή κατανομή του ατόμου ντόπινγκ, η οποία έκανε δύσκολη την εξερεύνηση της κατασκευής του μοντέλου και του μηχανισμού αντίδρασης.

«Πολύ υψηλότερη πυκνότητα ηλεκτρονίων του Ni με χαμηλότερη κατάσταση σθένους ανακατανεμήθηκε κοντά στο επίπεδο Fermi, οδηγώντας σε υψηλότερη αγωγιμότητα, ισχυρότερο H₂O προσρόφηση και ασθενέστερη ∆σολ_H*.» είπε ο Sun. «Ειδικές επεξεργασίες (π.χ. ψεκασμός μαγνητρονίων και πλάσμα αζώτου) απαιτούνταν συνήθως για τη σύνθεση κενού αζώτου. Επίσης, ήταν δύσκολο να ελεγχθεί η ομοιόμορφη κατανομή των κενών αζώτου. Επιπλέον, μεγάλες ποσότητες κενών θέσεων θα οδηγούσαν σε σοβαρή παραμόρφωση του πλέγματος και κακή δραστηριότητα HER για TMN.

«Η ηλεκτροαρνητικότητα και ο βαθμός αντιστοίχισης πλέγματος των απευθείας συνδεδεμένων εξαρτημάτων έπαιξαν ζωτικό ρόλο στην ηλεκτροχημική δραστηριότητα των καταλυτών ετεροδομής». είπε ο Λιν. «δύο συστατικά με μεγάλες διαφορές στην ηλεκτραρνητικότητα και την κρυσταλλική δομή (π.χ. Co/Co₂N/CF ή Mo₂N/CEO₂@NF) είχε ως αποτέλεσμα πιο διακριτικές ηλεκτροκαταλυτικές επιδόσεις για την ταχύτερη κινητική αντίδρασης, την υψηλότερη ικανότητα μεταφοράς ηλεκτρονίων και την ισχυρότερη τάση πλέγματος κ.λπ. Και «Ωστόσο, οι περίπλοκες θεραπείες ακολουθίας για τη σύνθεση ετεροδομής περιόρισαν την εφαρμογή της σε μεγάλη κλίμακα. Επιπλέον, ήταν μάλλον δύσκολο να επιτευχθεί περισσότερη κατασκευή νανοδιεπαφής στην ετεροδομή, γεγονός που περιόρισε την πλήρη εξερεύνηση των πλεονεκτημάτων της ετεροδομής».

Η στρατηγική υβριδισμού ήταν μια κοινή μέθοδος για αποτελεσματικό ηλεκτροκαταλύτη HER για την εύκολη σύνθεση χωρίς εξαιρετική επεξεργασία. Η κινητική HER ενισχύθηκε για τις μεγάλες διαφορές στην ηλεκτραρνητικότητα που ευνοεί τη μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ TMN και υβριδισμένων συστατικών. Ο Sun είπε ότι ο έλεγχος της ακριβούς ρύθμισης με ομοιόμορφη κατανομή των υβριδισμών ήταν μάλλον δύσκολος. Και η μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ των συστατικών που δεν έρχονται σε άμεση επαφή ήταν αβεβαιότητα. Αυτό έκανε την απεικόνιση του ηλεκτροκαταλυτικού μηχανισμού να γίνει πολύπλοκη.

Μετά από εξονυχιστική εξέταση των ερευνών που διαμορφώθηκαν από έξι στρατηγικές, τα TMN κράματος και ετεροδομής ήταν τα πιο ευρέως διερευνημένα για τις υψηλές εγγενείς δραστηριότητές τους, είπε ο Lin, πολλές ετεροδομές TMNs είχαν δείξει εξαιρετικά χαμηλές υπερδυναμικές και κλίσεις Tafel. Η ετεροδομή του ΤΜΝ οδήγησε σε Dσολ_H* πολύ πιο κοντά στο μηδέν, ισχυρό H₂O ενέργεια προσρόφησης και χαμηλό H₂O ενέργεια διάστασης.

«Παρόλο που έχουν γίνει σημαντικές ανακαλύψεις για τη βελτίωση των εγγενών δραστηριοτήτων των TMN μέσω ηλεκτρονικής διαμόρφωσης δομής, υπάρχει ακόμη πολύς χώρος για την εφαρμογή σε κλίμακα TMN σε εμπορικούς ηλεκτρολύτες νερού». είπε ο Sun. «Η μελλοντική ανάπτυξη των TMNs προτείνεται να επικεντρωθεί στην ανάπτυξη μεθόδων εύκολης σύνθεσης, στην αποσαφήνιση του μηχανισμού ρύθμισης και του καταλυτικού μηχανισμού, ενισχύοντας τη δραστηριότητα και τη σταθερότητα». Και “συνεχής έρευνα και ανάπτυξη εξαιρετικών ηλεκτροκαταλυτών TMN στο HER θα πρέπει να πραγματοποιηθεί για την κλιμακούμενη εφαρμογή στη βιομηχανική διάσπαση νερού”.

Άλλοι συνεισφέροντες είναι οι Han-Ming Zhang, Jian-Jiang Wang, Yongqiang Meng και Jinfeng Sun, Σχολή Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών, Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Hebei. Fushen Lu and Muwei Ji, College of Chemistry and Chemical Engineering, Shantou University; Caizhen Zhu και Jian Xu, Ινστιτούτο Υλικών Χαμηλών Διαστάσεων Genome Initiative, College of Chemistry and Environmental Engineering, Shenzhen University.

Οι ακόλουθοι συγγραφείς έχουν πρόσθετες σχέσεις: Han-Ming Zhang, Jian-Jiang Wang, Yongqiang Meng και Jinfeng Sun, Hebei Key Laboratory of Flexible Functional Materials, Shijiazhuang, Hebei.

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας (52101251), το Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της επαρχίας Χεμπέι (B2021208030), το Πρόγραμμα Εκπαίδευσης καινοτομίας για Φοιτητές Κολλεγίου της επαρχίας Χεμπέι (S2021113409001) και το STU Scientific Research Initiation Grant (NTF2201).

###

Αναφορά

Συγγραφείς: HAN-MING ZHANG, JIAN-JIANG WANG, YONGQIANG MENG, FUSHEN LU, MUWEI JI , CAIZHEN ZHU , JIAN XU, ΚΑΙ JINFENG SUN

Τίτλος πρωτότυπης εργασίας: Review on Intrinsic Electrocatalytic Activity of Transition Metal Nitrides on HER

Περιοδικό: Energy Material Advances

DOI: 10.34133/energymatadv.0006

Συνεταιρισμοί:

¹School of Material Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, Κίνα.

²Hebei Key Laboratory of Flexible Functional Materials, Shijiazhuang, Hebei 0500180, Κίνα.

³College of Chemistry and Chemical Engineering, Shantou University, Shantou, Guangdong 515000, China.

⁴Ινστιτούτο Υλικών Χαμηλών Διαστάσεων Genome Initiative, College of Chemistry and Environmental Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060, China.

Σχετικά με τους συγγραφείς:

Han-Ming Zhang (Πρώτος συγγραφέας)

Η Han-Ming Zhang έλαβε το πτυχίο της στη Χημεία από το Πανεπιστήμιο Nanchang το 2010. Στη συνέχεια εντάχθηκε στην ομάδα του καθηγητή Song Ye στο Πανεπιστήμιο της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (Ινστιτούτο Χημείας, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών) και έλαβε το διδακτορικό της. Πτυχίο Οργανικής Χημείας το 2015. Στη συνέχεια, εργάστηκε ως μεταδιδάκτορας στο College of Chemistry and Environmental Engineering, Shenzhen University, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Caizhen Zhu. Επί του παρόντος, είναι διάλεξη στο School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology. Τα ερευνητικά της ενδιαφέροντα περιλαμβάνουν ενεργειακά υλικά για ηλεκτροκατάλυση σε αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου, αντίδραση έκλυσης οξυγόνου, αντίδραση μείωσης οξυγόνου, κυψέλες καυσίμου και οργανική σύνθεση. Ως πρώτη συγγραφέας ή αντίστοιχη συγγραφέας, έχει δημοσιεύσει περισσότερες από 10 εργασίες σε περιοδικά SCI, όπως π.χ. Chem. Eng. J., Inorg. Chem. Εμπρός., Οργ. Chem. Εμπρός., J. Πηγές ισχύος., Οργ. Κάτοικος της Λατβίας., Int. J. Ενέργεια υδρογόνου, Οργ. Biomol. Chem., Asian J. Org. Chem., κλπ. Ο δείκτης h της ήταν 11.

Muwei Ji (αντίστοιχος συγγραφέας)

Ο Muwei Ji έλαβε το διδακτορικό του. πτυχίο από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Πεκίνου το 2019. Στη συνέχεια εντάχθηκε στην ομάδα του Καθ. Caizhen Zhu ως μεταδιδάκτορας. Σήμερα είναι καθηγητής στο Κολλέγιο Χημείας και Χημικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου Shantou. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα είναι η αποθήκευση ενέργειας και τα λειτουργικά υλικά για μπαταρίες και ηλεκτροκατάλυση σε αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου, αντίδραση έκλυσης οξυγόνου, αντίδραση μείωσης οξυγόνου και κυψέλες καυσίμου. Ως πρώτος συγγραφέας ή αντίστοιχος συγγραφέας, έχει δημοσιεύσει περισσότερες από 30 εργασίες σε περιοδικά SCI, όπως π.χ. Nano Res., Chem. Eng. J., ACS Appl. Μητήρ. Interfaces, J. Phys. Chem. C, CrystEngComm, Appl. Σπάζοντα κύματα παραλίας. Sci., Chem. Comm., Inorg. Chem. Front., J. Phys. Chem. Κάτοικος της Λατβίας.κλπ. Ο δείκτης h του ήταν 20.

Caizhen Zhu (αντίστοιχος συγγραφέας)

Ο Caizhen Zhu έλαβε το διδακτορικό του. πτυχίο από το Ινστιτούτο Χημείας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών το 2012. Επί του παρόντος, είναι καθηγητής στο Κολλέγιο Χημείας και Μηχανικής Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου Shenzhen. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα είναι ίνες υψηλής απόδοσης, χαρακτηρισμός επί τόπου ανάλυσης υψηλής απόδοσης, αποθήκευση ενέργειας και λειτουργικά υλικά για ηλεκτροκατάλυση σε ηλεκτροκατάλυση και μπαταρίες. Ως πρώτος συγγραφέας ή αντίστοιχος συγγραφέας, έχει δημοσιεύσει περισσότερες από 100 εργασίες σε περιοδικά SCI, όπως π.χ. Adv. Energy Mater., Adv. Λειτουργία. Mater., Nano Res., Chem. Eng. J., ACS Sustain. Chem. Eng., CrystEngComm, Appl. Σπάζοντα κύματα παραλίας. Sci., Polymers, Compos. Sci. Τεχνολ.κλπ. Ο δείκτης h του ήταν 30.

Jinfeng Sun (αντίστοιχος συγγραφέας)

Ο Jinfeng Sun έλαβε το διδακτορικό του. πτυχίο από το Πανεπιστήμιο Yanshan το 2010. Επί του παρόντος, είναι αναπληρωτής καθηγητής της Σχολής Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Hebei. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα είναι η μεταλλουργία σκόνης, η αποθήκευση ενέργειας και τα λειτουργικά υλικά σε μπαταρίες, τα υλικά ηλεκτροκατάλυσης υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου. Ως πρώτος συγγραφέας ή αντίστοιχος συγγραφέας, έχει δημοσιεύσει περισσότερες από 10 εργασίες σε περιοδικά SCI, όπως π.χ. Inorg. Chem. Εμπρός, Εφαρμ. Σπάζοντα κύματα παραλίας. Sci., J. Alloys Compd., Int. J. Hydrogen Energy, Chin. Phys. Lett., Adv. Μητήρ. Res., και τα λοιπά.

---

---