電子結構調諧表界面催化加氫領域獲新成果
近日，Nature Communications（《自然-通訊》）和Advanced Materials（《先進材料》）相繼刊登了武漢大學教授肖湘衡團隊關于電子結構調諧表界面催化加氫的最新研究成果。
近年來，人們對電催化加氫的催化劑研究不斷取得新進展，效率也在不斷的提升。然而，由于固液界面固有物理屏障及研究手段的限制，活性表面電子結構與活性位點微觀配位的動態演化仍舊缺乏系統、清晰的物理圖像認知。
對此，課題組研究人員聚焦電還原過程中金屬催化表面強質子耦合現象，采用多種原位光譜學表征手段證明由于強質子耦合效應的存在，以Pd為代表的金屬活性表面會原位形成PdHx催化反應活性中心。
相對其他活性金屬表面，其d(Pd)-p(N)軌道的相對較強雜化耦合填充了N基反應基團反鍵軌道的電子態，增加了反應基團C≡N初始加氫步驟的能力。同時，晶格中氫原子的存在使得Pd的d空軌道減少，減弱了目標產物（乙胺）的脫附勢壘，利于催化反應過程中吸脫附平衡。由于Pd基催化劑合適的連續性能帶位置，因而在篩選的系列金屬催化劑中展現出了優異的加氫反應活性及產物選擇性。研究人員進一步拓展采用質子交換膜電解器進行電催化乙腈加氫轉化的系統可行性驗證，測試結果顯示，在電流密度為200 mA cm?2時，Pd/C展現了較高的乙胺法拉第效率和比產率，比所篩選的其他金屬催化劑高出一個數量級。
此外，課題組聚焦非極性N2分子的局域場調控活化開展了系列研究工作。電催化N2還原反應（NRR）合成氨（NH3）是一種綠色的可持續反應，具有補充工業哈伯法的潛力。然而N2作為一種惰性的非極性分子，其很難被電極表面吸附并進一步活化，這導致NH3合成的選擇性和活性受到極大限制。雖然有多種外部刺激（例如壓力，溫度，光）已被報道可調節氣體分子吸附，但通過表面靜電場局域調控分子吸附過程仍然缺乏系統研究。當電極表面靜電場由均勻分布轉變至局域極化時，由于尖端效應的存在導致電極表面高曲率部分的電荷會更加集中，從而對非極性分子產生吸引。更重要的是，該類不均勻極化電場可以進一步穩定帶電基團，實現電荷的快速傳導輸運。
對此，本工作提出通過原子摻雜工程構建了表面局域極化電場來增強N2的吸附活化能力，并通過基于同步輻射光源的原位傅里葉變換紅外光譜檢測到了N2吸附態（極化電場的增強效應），最終實現了高效的酸性NRR過程。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47622-9
https://doi.org/10.1002/adma.202401032
