電催化活性中心與其支撐體之間的相互作用對電催化性能至關(guān)重要，這可以調(diào)節(jié)金屬中心的電子結(jié)構(gòu)，但需要精確設(shè)計(jì)。在此，作者報(bào)告了在臺(tái)階型 TiO
2 上共價(jià)接枝石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）作為載體，以錨定磷化鈷納米顆粒（CoP/GQD/S–TiO
2）用于電催化析氫反應(yīng)（HER）。GQDs 與 TiO
2 之間的共價(jià)酯鍵賦予了更大的錨定位點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高度分散的電活性 CoP 納米顆粒，但更重要的是，提供了從 TiO
2 到 GQDs 的有效電子轉(zhuǎn)移通道，這可以調(diào)節(jié) CoP 的電子結(jié)構(gòu)。因此，與 CoP/S–TiO
2 相比，這種 CoP/GQD/S–TiO
2 表現(xiàn)出優(yōu)越的電催化 HER 性能，其質(zhì)量活性是 CoP/S–TiO
2 對應(yīng)物的 6.3 倍，并且在超過 100 小時(shí)的電解中表現(xiàn)出長期穩(wěn)定性。 研究表明，足夠的電子轉(zhuǎn)移通過 Ti–C–P 路徑從 TiO
2 發(fā)生到 GQDs 中的π-結(jié)合，并進(jìn)一步注入到接枝的 Co 中心，誘導(dǎo)形成富電子的 Co 中心，以富集和穩(wěn)定水合堿性陽離子（AC
+），以促進(jìn)堿性氫氣演化反應(yīng)（HER）的動(dòng)力學(xué)。這項(xiàng)研究為通過共價(jià)鍵合進(jìn)行催化劑的電子結(jié)構(gòu)工程提供了新的思路，以提升電催化性能。
Fig 1. CoP/GQDs/S–TiO
2 合成過程的示意圖。
Fig 2. (a) GQDs、S–TiO
2 和 GQDs/S–TiO
2 的 FTIR 光譜。(b) GQDs/S–TiO
2 的高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像。(c) SEM 圖像，(d) TEM 圖像，以及(e) CoP/GQDs/S–TiO
2 的 HRTEM 圖像。(f) CoP/S–TiO
2 和 CoP/GQDs/S–TiO
2 的 XRD 圖譜。(g) CoP/GQDs/S–TiO
2 的 STEM 和元素映射圖像。
Fig 3. (a) CoP/S–TiO
2 和 CoP/GQDs/S–TiO
2 的 XPS 光譜。 (b) CoP/S–TiO
2 和 CoP/GQDs/S–TiO
2 的 Co 2p 高分辨率 XPS 光譜，(c) P 2p，(d) Ti 2p，(e) O 1s。 (f) CoP/GQDs/S–TiO
2 和 GQDs 的高分辨率 C 1s 光譜。
Fig 4. (a) 在 2 mV s
–1 掃描速率下，CoP/S–TiO
2、CoP/GQDs/S–TiO
2 和 Pt/C 在 1 M KOH 中的 LSV 曲線。(b) Tafel 斜率。(c) Nyquist 圖。(d) TOF 計(jì)算。(e) 相對于 CoP 催化劑質(zhì)量的活性歸一化。(f) CoP/GQDs/S–TiO
2 的恒電流電位測試。(g) CoP/GQDs/S–TiO
2 的多步恒電流電位測量。(h) CoP/GQDs/S–TiO
2 與先進(jìn)電催化劑在過電位(η
10)、過電位(η
100)、Tafel 斜率、TOF 和穩(wěn)定性方面的堿性 HER 性能比較。(i) 共價(jià)接枝的 GQDs 改善 CoP/GQDs/S–TiO
2 電催化 HER 的示意圖。
Fig 5. (a) SEM 圖像; (b) HRTEM 圖像; (c) XRD 圖譜; (d) XPS 調(diào)查光譜; (e) Co 2p, (f) P 2p, 和 (g) C 1s 光譜的 CoP/GQDs/S–TiO
2 在 100 小時(shí)電解后的結(jié)果。
Fig 6. (a) 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模 AEM 電解槽的示意圖。 (b) 使用 CoP/GQDs/S–TiO
2 和 NiFe LDH/GQD 組合以及 CoP/S–TiO
2 和 NiFe LDH/GQD 組合的設(shè)備的整體水分解極化曲線。 (c) 在 1.0 A cm
–2 電流密度下，基于 CoP/GQDs/S–TiO
2 的 AEM 電解槽的耐久性測試。
相關(guān)研究工作由揚(yáng)州大學(xué)Jingqi Tian/ Tengfei Jiang、東莞理工學(xué)院Hua Zhang于2025年在線發(fā)表在《Inorganic Chemistry》期刊上，Covalent Grafting of Graphene Quantum Dots onto Stepped TiO
2-Mediated Electronic Modulation for Electrocatalytic Hydrogen Evolution，原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.4c04811
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
