电子效应调控钴基氮化物催化析氢反应动力学

The unfavorable electron transfer dynamics and hydrogen desorption properties on the surface of cobalt based nitrides significantly limit the catalytic activity for hydrogen evolution reaction (HER). In this proposal, we try to modulate the energy level and electron density of cobalt based nitrides by introducing metal dopants with different electronegativity to increase the electron transfer dynamics and hydrogen adsorption/desorption characteristics, and thus improve the HER performance of cobalt based nitrides. Correlating theoretical simulation, electrochemical catalytic performance, and x-ray absorption fine structure spectroscopy to elucidate the relations between micro-structures and catalytic activities of cobalt based nitrides Finally, we employ theoretical simulation to further reveal the reaction mechanism and provide guidance for the design and optimization of electrocatalysts.

钴基氮化物表面不利的电子转移动力学和氢的吸脱附限制了其HER性能的提升。本项目拟通过引入各种电负性不同的过渡金属掺杂元素并控制掺杂比例，调控电极电势和催化剂材料的能级匹配以及电子密度，改善催化剂表面电子转移反应动力学和氢的吸脱附过程，提升其HER性能。通过理论模拟并结合电化学测试和同步辐射X射线吸收精细结构分析光谱（XAFS）表征，从微观结构角度分析金属掺杂钴基氮化物的材料结构与催化性能之间的内在联系和规律，揭示过渡金属掺杂影响钴基氮化物催化性能的物理化学本质，进而指导新型高效的电催化析氢催化剂的制备方向。

电解水制氢是实现我国低碳目标的关键技术之一，其中电催化剂是决定其性能和成本的核心因素。针对电化学析氢中催化剂的表面吸附行为，界面电荷转移以及催化剂局域结构与催化性能之间的构效关系认识不清楚的科学问题，本项目借助同步辐射光电子能谱，X 射线精细结构吸收谱，电化学分析以及第一性原理计算等手段，阐明掺杂元素对于析氢催化剂表面吸附行为和催化性能的内在影响规律，设计制备高性能的析氢催化剂。该项目按计划执行，完成了项目预定的研究内容和目标，同时利用该项目的研究结果和机理认识，进一步拓展到其它类型的金属化合物析氢催化剂的调控研究以及氮还原催化剂的筛选。发表论文 3 篇，包括 2 篇Adv. Mater., 和1 篇J Energy Chem.；另外，正在研究阶段的工作有 1篇。在该项目的培育下，项目负责人入选山东省“泰山青年学者”，获得山东大学（青岛）的正高级职称（教授）。