刘向文
双位点单原子催化剂的空间构型调控及其OER性能研究
报告人:刘向文
所在单位:北京市科学技术研究院分析测试研究所
报告人简介:
研究员，2013年在清华大学化学系获得博士学位先后于清华大学、美国波士顿学院、新加坡国立大学进行博士后研究，2021年回国并担任北京市科学技术研究院分析测试研究所先进材料创制及原位表征分析实验室负责人，新材料学科带头人。
主要从事多金属体系单原子/纳米材料，金属有机框架材料（MOFs）等调控合成的探索性研究工作，并且围绕上述材料针对双碳能源等领域开展相关研究，主要包括CO2还原，电解水制氢，异相催化，快速检测等。从纳米晶到单原子，围绕其尺寸，组成，形貌以及表面微观结构，研究材料的构效关系；利用先进的液相/气相原位表征技术实现对材料的成核生长以及催化过程进行全生命周期、跨尺度的分析。
总计发表论文30余篇，其中以第一作者/通讯作者身份发表于PNAS(2)、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.(3)、Chem、Nano Lett.(2)、Adv. Sci.、Nano. Res.等期刊杂志。论文他引次数总计3400余次，单篇研究性论文他引最高为1300余次。授权中国发明专利6项。
同时作为负责人承担了多项国家及省部级科研项目，先后获得国家自然科学基金青年基金项目、北京市自然科学基金面上项目、第55批中国博士后科学基金（面上一等）等多项科研项目资助，并于2021年成功入选第15批北京市海外高层次人才青年项目（原北京市“海聚工程”）。
报告摘要:
本文通过构建两种不同空间构型的Fe-Co双位点催化剂，研究双位点催化剂中两个金属活性位点的空间构型促进OER（析氧反应）的催化机制。相关实验研究证明了双位点催化剂（DSCs）在OER中的协同效应，超过了单位点催化剂，展示出双位点催化剂空间构型的设计在OER领域的巨大潜力。
双位点催化剂（DSCs）因在OER中的协同效应，其催化性能通常优于单位点催化剂，然而，特定空间构型的双位点催化剂的合成一直以来都是该领域研究的难点。本工作中，我们构建了两种构型的Fe-Co双位点催化剂，立体构型的Fe-Co位点催化剂（stereo-Fe-Co DSC）和平面构型Fe-Co位点催化剂（planar-Fe-Co DSC），且平面Fe-Co DSC具有优异的OER性能，优于立体Fe-Co DSC。研究表明：在决速步骤中，适当的Fe-Co间距和空间方向有利于双位点将中间体脱氢成*O-O*，*O中间体可以直接耦合形成*O-O*而不是*OOH，这可以克服OER中四个电子转移步骤的局限性。
Fe的XANES光谱结果显示负载的Fe是以单原子的形式存在，经过拟合分析之后，planar-Fe-Co DSC催化剂中Fe与Co处于同平面形式存在，而stereo-Fe-Co DSC催化剂中Fe处于高于Co的形式存在。催化性能测试表明，planar-Fe-Co DSC比stereo-Fe-Co DSC具有更高的本征活性，更快的电子转移速率以及更低电荷转移电阻。这表明平面构型的Fe-Co双位点可以诱导和优化Co原子的电子结构，从而增强了催化性能。
参考文献
[1] Zhang, T.; Jiang, J.; Sun, W.; Gong, S.;Liu, X*.; Tian, Y.*; Wang, D. Spatial configuration of Fe–Co dual-sites boosting catalytic intermediates coupling toward oxygen evolution reaction.PNAS,2024, 121(6): e2317247121.
[2] Yang, J.; Zhu, C.; Yang, C.; Li, W.; Zhou, H.; Tan, S.;Liu, X.*; He, D.*; Wang, D.* Accelerating the Hydrogen Production via Modifying the Fermi Surface.Nano Lett.,2023,23: 11368.
