南开大学谢微JACS：Pt-Co双原子催化剂的双协同作用|pt|催化剂|化学|南开大学|原子|活性|离子|谢微

研究内容

双原子催化剂（DAC）因其高原子利用率和协同催化作用而引起了人们的极大兴趣。然而，开发DAC的精确合成方法并理解潜在的催化机制仍然具有挑战性。

南开大学谢微采用光诱导锚定策略在石墨氮化碳（CN）上精确合成PtCo DAC。Co原子通过氮的孤对电子锚定在CN上。在光照射下，聚集在Co位点的光电子可以锚定附近的Pt金属离子，促进异核DAC的形成。PtCo DAC显示，氨硼烷（AB）水解产生H 2 的速率非常高，在298 K下的TOF为3130 mol H2 mol Pt −1 min −1 。该TOF值约为Pt单原子光催化剂的3.2倍。PtCo DAC显示出良好的稳定性，在室温下实现了高达307982 mol H2 mol Pt −1 的周转数。相关工作以“Geminal Synergy in Pt−Co Dual-Atom Catalysts: From Synthesis to Photocatalytic Hydrogen Production”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.作者采用逐步光诱导锚定策略，在石墨氮化碳（CN）上精确合成PtCo DAC。Co SAC最初是在光照下通过氮的孤对电子锚定在CN上的。合成的Co SAC是Co原子位点上电子光诱导聚集的基质，引导Co位点附近的Pt金属离子并精确定位它们形成PtCo DAC。

要点2.PtCo DAC用于研究AB光催化析氢过程中的催化效率。PtCo DAC显示出比其他催化剂更高的催化活性，在标准条件下（298 K和101 kPa）实现了超高的周转频率（TOF:3130 mol H2 mol Pt −1 min −1 ）和周转数（TON:307982 mol H2 mol Pt -1 ）值。

要点3.实验和理论计算结果表明，Pt和Co之间的协同作用优化了AB和H 2 分子的吸附能，同时降低了速率决定步骤的能量势垒，从而加速了AB水解产生H 2 。此外，引入的Co物种通过增强Pt-N键的稳定性来稳定Pt活性位点，防止浸出、聚集和失活。

本研究中的催化剂具有优异的催化性能、良好的稳定性和低成本，为其在氢气生产中的实际应用开辟了新的前景。

研究图文

图1.（a）通过光诱导锚定方法制备CN支持的DAC的示意图。（b−d）PtCo DAC的代表性像差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）。（e，f）PtCo DAC的HRTEM和相应EDS元素。（g）（d）中Pt和Co虚线框所选区域轮廓之间的统计距离。（h）PtCo DAC的结构模型。

图2.（a）通过在298 K的黑暗和可见光下使用不同催化剂进行的AB水解释放的H 2 的反应时间依赖性体积。（b）在可见光存在和不存在的情况下估计的所有制备催化剂的TOF值（c（AB）=1 mM，n（Pt）/n（AB）=0.0002）。在可见光照射下，（c）H 2 生成速率与不同温度之间的关系，（d）PtCo DAC的Arrhenius图，（e）PtCo DACAB水解的回收试验。（f）过去十年AB水解制氢的代表性TOF和TON值的统计图。

图3. CN、Co SAC、Pt SAC、PtCo DAC的（a）漫反射光谱和Tauc图，（b）能带结构，（c）合成材料的PL光谱，（d）时间分辨的PL谱，（e）瞬态光电流响应，（f）电化学阻抗谱。

图4.（a）Pt SAC和PtCo DAC的电荷密度差。青色和黄色区域分别表示电子耗尽和积累。（b）Pt SAC中Pt 3d、Co SAC中Co 3d、PtCo DAC中Pt 3d和Co 3d的部分态密度。（c）PtCo DAC和CN的总态密度。（d）H 2 和AB分子在PtCo DAC与Pt SAC光催化剂之间的吸附能。（e）Pt原子和N原子之间的投影晶体轨道哈密顿布居（pCOHP）。

文献详情

Geminal Synergy in Pt−Co Dual-Atom Catalysts: From Synthesis to Photocatalytic Hydrogen Production

Aonan Zhu, Yutao Cao, Ning Zhao, Yongcheng Jin, Yonglong Li, Ling Yang, Cancan Zhang, Yangxuan Gao, Zhao Zhang, Yuying Zhang, Wei Xie*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c09611