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电催化析氢反应的微观反应机制及其反应动力学

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我们在电催化微观反应机制及其反应动力学方面的研究取得了一些研究进展,提出了结构水(SWs)的概念,在分子水平上理解析氢反应对pH、碱金属离子结合水能力以及过渡金属羟基键合能力的依赖性。与过渡金属键合的结构水或者碱金属离子键合的结构水为析氢的催化活性中心。结构水一方面稳定水解离的过渡态(O-H键的活化);另一方面由于水中O原子p轨道在界面的重叠,形成了界面离域pi键,促进了电极表面的电子转移同时活化H,共同加速了析氢反应。
作为析氢催化活性中心的结构水(sws)的概念与氢键水的概念完全不同,因为SWs是两个相邻的水分子,主要通过两个O原子的p轨道的空间重叠来结合,形成具有π键特征的局部化学键,由于空间轨道重叠,这为通过表面离域进行电子转移提供了一个替代通道。SWs作为协同电子和质子转移的替代通道,同时作为活化水O-H键的活性位点,这一概念完全不同于传统电催化剂弱相互作用对析氢、析氧以及O还原、CO2以及N2还原反应机制的理解。运用我们发展的界面态(PBIS)模型,我们成功的解释了电催化反应的一些异常反应现象,如无金属催化剂催化的反应机制,如碳点、杂原子掺杂的多孔碳材料的催化活性起源。

相关成果以activation of h2o tailored by interfacial electronic states at a nanoscale interface for enhanced electrocatalytic hydrogen evolution为题发表在《journal of the american chemical society au》(jacs au, 2022, doi: 10.1021/jacsau.2c00187)。全文链接有如下:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.2c00187
在这里分享一下,希望大家多提批评意见!



abstract:
despite the fundamental and practical significance of the hydrogen evolution reaction (her), the reaction kinetics at the molecular level are not well-understood, especially in basic media. here, with zif-67-derived co-based carbon frameworks (co/ncs) as model catalysts, we systematically investigated the effects of different reaction parameters on the her kinetics and discovered that the her activity was directly dependent not on the type of nitrogen in the carbon framework but on the relative content of surface hydroxyl and water (oh╟/h2o) adsorbed on co active sites embedded in carbon frameworks. when the ratio of the oh╟/h2o was close to 1:1, the co/nc nanocatalyst showed the best reaction performance under the condition of high-ph electrolytes, e.g., an overpotential of only 232 mv at a current density of 10 ma cm╟2 in the 1 m koh electrolyte. we unambiguously identified that the structural water molecules (sws) in the form of hydrous hydroxyl complexes absorbed on metal centers {ohad·h2o@m+} were catalytic active sites for the enhanced her, where m+ could be transition or alkaline metal cations. different from the traditional hydrogen bonding of water, the hydroxyl (hydroxide) groups and water molecules in the sws were mainly bonded together via the spatial interaction between the p orbitals of o atoms, exhibiting features of a delocalized π-bond with a metastable state. these newly formed surface bonds or transitory states could be new weak interactions that synergistically promote both interfacial electron transfer and the activation of water (dissociation of o╟h bonds) at the electrode surface, i.e., the formation of activated h adducts (h*). the capture of new surface states not only explains ph-, cation-, and transition-metal-dependent hydrogen evolution kinetics but also provides completely new insights into the understanding of other electrocatalytic reductions involving other small molecules, including co2, co, and n2.

全文pdf免费链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.2c00187

与结构水(SWs)相关的几篇核心文献:
(1)Yang, T.; Hu, X.; Shan, B.; Peng, B.; Zhou, J.; Zhang, K. Caged structural water molecules emit tunable brighter colors by topological excitation. Nanoscale 2021, 13 (35), 15058– 15066, 链接如下:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/NR/D1NR02389F
(2)Zhou, J.; Yang, T.; Peng, B.; Shan, B.; Ding, M.; Zhang, K. Structural Water Molecules Confined in Soft and Hard Nanocavities as Bright Color Emitters. ACS Phys. Chem. Au 2022, 2 (1), 47– 58, 链接如下:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphyschemau.1c00020
(3)Yang, T.; Shan, B.; Huang, F.; Yang, S.; Peng, B.; Yuan, E.; Wu, P.; Zhang, K. P band intermediate state (PBIS) tailors photoluminescence emission at confined nanoscale interface. Commun. Chem. 2019, 2, 132, 链接如下:https://www.nature.com/articles/s42004-019-0233-1

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-7-31 20:13:48 | 只看该作者 Only view this author
wzkchem5 发表于 2022-6-15 20:06
您如果认为有半金属性的话,可以测一下能带,看看费米能级附近的态密度,不然可能不好区分是金属态、半金 ...

谢谢,后面可能量子计算可以给出帮助,针对特定的金属,这实际操作起来更加容易!这个建议非常好!

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-7-31 20:12:05 | 只看该作者 Only view this author
wzkchem5 发表于 2022-6-15 20:03
spin liquid要求有长程量子纠缠以及anyon激发,您的体系是否也有类似性质?是否做了相关的表征?

谢谢您的回复,这些都是纯的物理,临时只是脑子里有个宏观的概念,对这些重要的细节我们关注的的确不多。需要后续更深入的研究和合作。

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-7-31 20:09:49 | 只看该作者 Only view this author
watfros 发表于 2022-7-22 11:43
这个是类似于晶体水的概念吗

不好意思休假了两个星期,这么晚回复!
晶体水应该强调的配位水的概念,如果我理解的不错的。这里的结构水强调的是限域环境下两个临近水分子或多个水分子O原子p轨道之间的空间相互作用,会形成介稳的Pi轨道。

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发表于 Post on 2022-7-22 11:43:00 | 只看该作者 Only view this author
这个是类似于晶体水的概念吗

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发表于 Post on 2022-6-15 20:06:07 | 只看该作者 Only view this author
zhangkun232 发表于 2022-6-15 00:27
金属没有被还原,只是界面离域的一种状态,显示出了半金属性(semimetal),我们认为。

您如果认为有半金属性的话,可以测一下能带,看看费米能级附近的态密度,不然可能不好区分是金属态、半金属态还是绝缘态。
Zikuan Wang
山东大学光学高等研究中心 研究员
BDF(https://bdf-manual.readthedocs.io/zh_CN/latest/Introduction.html)、ORCA(https://orcaforum.kofo.mpg.de/index.php)开发团队成员
Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?user=XW6C6eQAAAAJ
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4540-8734
主页:http://www.qitcs.qd.sdu.edu.cn/info/1133/1776.htm
GitHub:https://github.com/wzkchem5
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发表于 Post on 2022-6-15 20:03:43 | 只看该作者 Only view this author
zhangkun232 发表于 2022-6-15 00:29
我们说的拓扑激发,更靠近Spin liquid的概念,Nanoscale的文章里有所阐述,但是我的物理基础太差了。不知 ...

spin liquid要求有长程量子纠缠以及anyon激发,您的体系是否也有类似性质?是否做了相关的表征?
Zikuan Wang
山东大学光学高等研究中心 研究员
BDF(https://bdf-manual.readthedocs.io/zh_CN/latest/Introduction.html)、ORCA(https://orcaforum.kofo.mpg.de/index.php)开发团队成员
Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?user=XW6C6eQAAAAJ
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4540-8734
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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-6-15 07:29:46 | 只看该作者 Only view this author
wzkchem5 发表于 2022-6-15 01:25
如果是过渡态的话,这个叠合态的寿命是不足以用普通UV-Vis或荧光光谱测出来的,任何能用普通(非瞬态)仪 ...

我们说的拓扑激发,更靠近Spin liquid的概念,Nanoscale的文章里有所阐述,但是我的物理基础太差了。不知道表达的是否清楚。

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-6-15 07:27:36 | 只看该作者 Only view this author
wzkchem5 发表于 2022-6-15 01:25
如果是过渡态的话,这个叠合态的寿命是不足以用普通UV-Vis或荧光光谱测出来的,任何能用普通(非瞬态)仪 ...

金属没有被还原,只是界面离域的一种状态,显示出了半金属性(semimetal),我们认为。

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-6-15 07:22:58 | 只看该作者 Only view this author
wzkchem5 发表于 2022-6-15 01:25
如果是过渡态的话,这个叠合态的寿命是不足以用普通UV-Vis或荧光光谱测出来的,任何能用普通(非瞬态)仪 ...

"如果是过渡态的话,这个叠合态的寿命是不足以用普通UV-Vis或荧光光谱测出来的,任何能用普通(非瞬态)仪器测出来的物种必然是稳定物种,不可能是过渡态。"这个的确是非常重要的问题,好的问题!!!我们自己其实讨论了这个问题很久!因为您知道我们使用瞬态测了激发态的弛豫动力学。所以我们认为我们做了一些不一样的地方,尤其是与最近报道的一些神奇量子态看上去有密切的关联。但是好像很少涉及到水,石墨烯以及其他磁性材料涉及的更多。但是存在某种共性。

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-6-15 07:18:57 | 只看该作者 Only view this author
"如果是过渡态的话,这个叠合态的寿命是不足以用普通UV-Vis或荧光光谱测出来的,任何能用普通(非瞬态)仪器测出来的物种必然是稳定物种,不可能是过渡态。"这个的确是非常重要的问题,好的问题!!!所以我们认为我们的PBIS态是稳定的过渡态,又不完全等同于我们通常认为的过渡态,所以我们只能小心的称之为具有类似过渡态的性质,其实您知道过渡态的形成细节并不清楚,我们的PBIS恰好解释了传统化学过渡态的细节,其实过渡态可以认为是一种不稳定的PBIS态,具有更高的能量。
因为越往后越牵涉到物理,我们学化学的就越来越吃力。Berry Phase这个名词我真没有看到过,结合我们的结果我要仔细看看才能回答你,因为我听过文小刚的拓扑序的报告,所以认为跟拓扑激发有关,并非传统的局域激发,这可能为什么UV-Vis或荧光光谱可以测出来的原因。

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发表于 Post on 2022-6-15 01:25:28 | 只看该作者 Only view this author
zhangkun232 发表于 2022-6-14 17:24
这里OO叠合实际上是一种界面瞬态,类似过渡态!O的孤电子对是界面离域的,如果水与界面金属配位或者碱金 ...

如果是过渡态的话,这个叠合态的寿命是不足以用普通UV-Vis或荧光光谱测出来的,任何能用普通(非瞬态)仪器测出来的物种必然是稳定物种,不可能是过渡态。孤对电子可以离域不假,但是只有离域到O的p轨道出现空穴的程度,O-O键级才不为0,而O原子孤对电子到碱金属离子的离域显然远不到这个程度,不然就等于是在说OH-会把碱金属离子还原成碱金属原子。
另外,您说的拓扑激发,指的是这个态有Berry phase吗?是奇宇称还是偶宇称?
Zikuan Wang
山东大学光学高等研究中心 研究员
BDF(https://bdf-manual.readthedocs.io/zh_CN/latest/Introduction.html)、ORCA(https://orcaforum.kofo.mpg.de/index.php)开发团队成员
Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?user=XW6C6eQAAAAJ
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4540-8734
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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-6-15 00:32:50 | 只看该作者 Only view this author
zhangkun232 发表于 2022-6-15 00:24
这里OO叠合实际上是一种界面瞬态,类似过渡态!O的孤电子对是界面离域的,如果水与界面金属配位或者碱金 ...

这种PBIS态是一种全新的量子态,我个人认为,既有居于键的特征又有离域键特征,所以我们称它为拓扑态!可能我的理解也不完全准确,但是这就是数据呈现的。利用这个理论很容易解释水的介电常数的变化以及文献上从未解释Metallophilic interaction,如Aurophilic,如果界面与水配位的是金(I)离子。

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-6-15 00:24:02 | 只看该作者 Only view this author
wzkchem5 发表于 2022-6-14 14:12
对,但是OER里面O原子变价了,而这里的问题是O在不变价的情况下可以发生多大程度的重叠。只要O还是-2价, ...

这里OO叠合实际上是一种界面瞬态,类似过渡态!O的孤电子对是界面离域的,如果水与界面金属配位或者碱金属离子。如果没有与金属离子配位,实际上两个O-H是部分离域的,你可以想想成原子态的H形成了。如果金属参与了水的吸附,可以认为金属部分还原了。氧原子的价态发生了部分变化。这就是界面离域的本质,界面参与的四个原子类似处于李德堡态,所以我们称它为拓扑激发!可能我前面讲的概念不清楚,我列的核心几篇文章里提到了。也可以参考我们最新的ChemRxiv的文章:DOI: ChemRxiv. Cambridge Open Engage, 2021,DOI: 10.26434/chemrxiv-2021-zp9z3。这里面讲的很清楚。

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-6-15 00:13:02 | 只看该作者 Only view this author
Ferrocene 发表于 2022-6-14 10:06
个人观点:如果考虑电极表面态和水分子之间的相互作用,那么氧原子之间的轨道重叠不仅不是不可能的,而且 ...

是的,用我们的理论很容易解释OER、ORR甚至CO2RR和NRR。我文章里提到了这些反应的作用机制。
谢谢关注@

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