钟文武教授在新型电催化材料研究中取得突破

近日，我校环境与能源材料研究所钟文武教授在老牌顶级化学期刊《Angewandte Chemie-International Edition》（IF：12.959）发表题为“Coupled vacancy pairs in Ni-doped CoSe for improved electrocatalytic hydrogen production through topochemically deintercalation”的研究论文。钟文武教授为第一作者兼通讯作者，红宝石官方网站hbs16为唯一通讯单位。
    氢气是一种理想的清洁能源，具有燃烧热值高、产物无污染的优点，有望取代化石燃料，解决日益严峻的环境和气候问题。电解水由于不受天气、时间等因素限制，具有广阔的应用前景。直接电解水的过电位很高，造成电能的浪费，需要催化剂辅助。设计开发新型的电催化剂材料，降低电解水的过电位，对国民经济、绿色能源等领域具有重要意义。
    在众多设计电催化剂的技术路线中，“缺陷工程”是重要手段之一，在高性能电催化剂的设计中起着至关重要的作用。而空位作为一种基础缺陷，对其研究具有重要的理论和实用价值。近日，钟文武教授创新地通过一种特殊的化学脱嵌方法，在四方相Ni掺杂CoSe中引入了耦合的阳离子空位对，提高了四方相CoSe电解水的活性。在原始的CoSe中，Se原子对质子的亲和力低，导致超过1.2 eV的自由能变化DG。高DG值意味着质子捕获困难。 Ni掺杂CoSe、Ni掺杂CoSe +单空位样品中，DG分别向下移动至1.00、0.47，但仍然不足。幸运的是，Ni杂原子和足够的Co空位的组合导致HER活性的优化，对于CoSe +耦合双空位样品，DG可以降级至-0.02 eV，接近理想值零。CoSe +耦合双空位样品的H-Se相互作用能为0.45 eV，与原始CoSe的1.84 eV相比显着降低。Co^{2 +}的最外层电子构型为3d7（t2g5e2g2），具有高自旋态。因此，Co^{2 +} d轨道中的对称电子不饱和，易于通过电子转移与•H自由基相互作用。同时，Ni^{2 +}中的电子构型已饱和，表明它很难与化学自由基相互作用。当Co^{2 +}和Ni^{2 +}耦合在一起时，由于Ni^{2 +}对•H自由基的排斥作用，Co^{2 +}和•H自由基之间的相互作用将得到增强，这可以促进H₂的生成。
    该工作得到了国家科技部重点研究开发项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
    论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011378