缺乏取代Pt基与低Pt型高性价比催化剂是阻碍电解水制氢（HER）和燃料电池技术（ORR）商业化应用的主要因素。因此，开发高效，稳定的低/非Pt类电催化剂是目前能源领域研究热点之一。随着材料合成方法的不断革新，低/非Pt催化剂的尺寸实现了从颗粒到团簇和单原子的可控制备。此类催化剂通常伴随着低金属载量和无定形结构等特点，使得传统实验室的结构表征方法遇到瓶颈。近期，中科院长春应化所邢巍、葛君杰课题组与上海光源BL14W1线站科研人员密切合作，利用同步辐射XAFS技术在研究HER和ORR高效电催化剂的构效关系方面取得系列进展。
传统半导体相2H-MoS2作为析氢催化剂只能提供位于边缘的少量活性位点，而且导电性较差。课题组人员发展了自发界面氧化还原掺杂方法，以原子分散形式存在的Pd原子（~1wt.%）活化二硫化钼（MoS2）惰性表面获得了兼具低成本、高效稳定的HER催化材料。Pd K边X射线精细结构扩展边分析结果表明：（1）Pd成功取代MoS2的Mo位点，同时引入S空位并诱导MoS2相变生成稳定、导电性能优异的1T相结构；（2）Pd K边EXAFS在高壳层较弱也印证了界面氧化还原掺杂方法可以实现把原子掺杂到目标载体的表面。制备的Pd-MoS2表现出超低的析氢过电位（78 mV @ 10 mA cm-2）和高的交换电流密度（805 μA cm-2)，是已报道杂原子掺杂MoS2基材料中最好的HER性能，同时具有良好的稳定性，使其具有替代商业Pt/C催化剂的可能。该进展发表在期刊《自然通讯》上 (Nature Communications, 2018, 1, 9,2120). 文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-04501-4.
Pd自发掺杂MoS2的机制探索
单原子Co催化剂（常见Co-N4活性位）在ORR反应中表现优异，但距离实现商业化应用还有很远的距离。研究人员利用有机金属框架为前躯体，通过调节活性组分Co的含量，精准制备具有高活性结构的双原子中心催化剂，活性提高了一个数量级以上，达到目前单原子位点催化剂的13倍，具备了实用价值。Co K边EXAFS分析结果表明：在活性表现最好的催化中，曲线拟合发现异常的Co-Co (2.12 ？) 配位，即推测出现新的活性相。同时，小波变换分析结果中Co-Co配位的中心点向低k部分偏移也说明短键长Co-Co的存在。另外，球差校正电镜也发现了类似的双原子中心。密度泛函理论计算表明Co2N5结构是最稳定的双原子中心，优化结构的键长和EXAFS分析以及球差电镜结果相吻合。该活性位上的ORR反应能垒被大幅降低，反应动力学显著加快，是首次从理论和实验上证实了双原子活性中心更具有优势，为设计高效的非贵金属催化剂开创了新的思路。该成果发表在期刊《纳米能源》上。(Nano Energy, 2018, 46: 396-403).材料能源部博士生张浩为共同第一作者。文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518300922.
双原子Co基氧还原电催化剂结构表征及活性对比
