肖湘衡课题组在金属氧化物中金属-金属耦合配位结构精细调控取得新进展

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近日，《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）在线发表了物理科学与技术学院肖湘衡教授团队与中国科学技术大学王功名教授合作最新研究成果。论文题为“Optimizing hydrogen adsorption by d-d orbital modulation for efficient hydrogen evolution catalysis”《基于d-d轨道调控优化氢吸附实现高效的析氢催化》，武汉大学物理科学与技术学院2019级博士研究生刘江超为论文第一作者，武汉大学肖湘衡教授、贺栋博士后以及中国科学技术大学王功名教授为通讯作者，武汉大学物理科学与技术学院为论文第一署名单位。

图：金属异质杂原子掺杂WO2相关理论计算分析讨论和析氢活性评估

        钨基金属氧化物由于具有廉价、安全无毒以及独特的物理化学性质等多种优势而被作为一种重要的功能材料应用于多种领域。不同于典型半导体特性的三氧化钨（WO3），二氧化钨(WO2)由于低的W:O配比和扭曲的W-O双八面体结构，因而在具有传统氧化物中金属-氧（W-O）配位外还存在较强的金属-金属（W-W）耦合，表现出类金属的特性和优异的电子传输能力。但是关于该类金属氧化物中金属-金属耦合配位结构的作用本质仍不够清晰，同时进一步实现金属-金属耦合配位结构的精细调控及其功能化应用具有极大挑战且有待深入研究。
        基于此，研究团队以具有金属性的WO2作为模型材料，系统研究了金属与金属原子之间d-d轨道相互作用本质并且提出了金属-金属轨道耦合调控策略。理论计算以及实验研究发现通过调控双八面体中反键轨道中的电子填充度可以有效地调节金属-金属键的强度，实验上使用具有更高d带电子填充的M杂原子（M = Fe、Co、Ni、Cu等）取代W原子可以梯度削弱W-M键从而实现其d-d轨道配位结构的精细调控。进一步我们将该类材料推广应用于电催化析氢催化剂应用，发现梯度调控的W-M配位结构可以有效调节材料表面氢吸附/脱附行为及反应活性。实验测试发现Ni-WO2在众多的M-WO2催化剂中表现出最佳的催化活性。其在-10 mA/cm2的电流密度下所需过电位仅为41 mV，并且在超过100小时的稳定性测试中表现出优异的性能保持性，代表了迄今为止最佳的钨基析氢催化剂之一。此外，这种基于金属氧化物中金属-金属轨道耦合调控的策略可以为其他过渡金属氧化物微观配位的精细调控和相关应用设计提供有价值的见解和参考意义。
        该工作获得国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金以及中国博士后科学基金的资助。
        文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202103301


        文章来源：武汉大学
       肖湘衡 ，武汉大学物理科学与技术学院教授，博士生导师。研究方向：离子注入法制备金属和半导体纳米材料与改性研究； 新纳米结构的表面等离激元共振；纳米颗粒等离子体与半导体耦合发光及光催化研究；抗辐照材料。