▲第一作者：Site Li ； 通訊作者：Rongchao Jin, Kauffman R. Douglas, Giannis Mpourmpakis
通訊單位：Carnegie Mellon University 論文DOI：10.1021/acscatal.0c02266 通過對金納米團簇的精確合成控制，將中心的一個金原子替換為鈀原子，實現(xiàn)了高電壓下二氧化碳還原選擇性的顯著提升。基于真實結(jié)構(gòu)的DFT計算表明鈀原子的加入可以提升團簇表面配體的穩(wěn)定性，從而抑制析氫反應(yīng)活性位點的生成。這種原子尺度的精確調(diào)控與DFT計算的結(jié)合為深入理解催化劑的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系提供了范例，對于未來高性能催化劑的設(shè)計也提供了思路及啟發(fā)。金納米顆粒（直徑3-100 nm）由于其較弱的*CO（中間體）結(jié)合強度，被廣泛應(yīng)用于電催化二氧化碳還原,其主要產(chǎn)物為一氧化碳以及競爭反應(yīng)（HER）產(chǎn)生的氫氣。先前關(guān)于金納米顆粒電催化的研究已探索了一系列與催化性能相關(guān)的因素，例如尺寸，形貌以及摻雜。盡管這些工作揭示了一些結(jié)構(gòu)—性能之間的聯(lián)系，但是常規(guī)納米顆粒在原子尺度上的多分散特性及未知的表面原子結(jié)構(gòu)阻礙了科研工作者對于其催化性質(zhì)更深一步的了解。例如對于摻雜的納米顆粒而言，常規(guī)的納米顆粒常常表現(xiàn)出摻雜的隨機性，其摻雜位置與比例難以做到精確。這種不精確會模糊科研工作者對其結(jié)構(gòu)與催化性質(zhì)之間聯(lián)系的理解。而金納米團簇擁有超小的尺寸（直徑小于3 nm）以及原子尺度的精確結(jié)構(gòu)，因此在電催化領(lǐng)域具有極大的前景。目前已經(jīng)可以實現(xiàn)對金納米團簇的尺寸，摻雜以及配體交換的精確控制。這種特性為研究電催化中催化劑結(jié)構(gòu)與其催化性質(zhì)的關(guān)聯(lián)提供了一個良好的平臺。原子尺度的精確摻雜顯著提升了催化劑在高電壓下的CO選擇性；基于真實結(jié)構(gòu)而非假設(shè)模型的DFT計算將摻雜效應(yīng)的理解細化到了原子尺度。我們課題組于2008年報道了Au25(SR)18 (SR = 2-Phenylethanethiol) 納米團簇的合成以及結(jié)構(gòu)（J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 18, 5883–5885）， 而后又發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)控合成步驟將最中心的一個金原子替換為鈀原子（Acta Physico-Chimica Sinica, 2011，27，3, pp.513-519.）。摻雜前后的金團簇結(jié)構(gòu)一致，即由二十面體的M13 kernel以及6個-S(R)-Au-S(R)-Au-S(R)-二元配體組合而成。摻雜與未摻雜團簇的UV-vis光譜呈現(xiàn)出不同的特征峰，表明鈀原子的摻雜改變了團簇的電子結(jié)構(gòu)（雖然幾何結(jié)構(gòu)不變）。質(zhì)譜表征顯示兩個團簇的質(zhì)量相差91 Da，恰好對應(yīng)金原子與鈀原子的質(zhì)量差（197-106.4 = 90.6）。盡管我們早已成功合成了Pd1Au24，但是要得到高純度的Pd1Au24并非易事。在比較兩種催化劑的電催化活性中，我們發(fā)現(xiàn)Au25以及Pd1Au24在低壓范圍內(nèi)（-0.6 V 到 -0.9 V）之間都具有接近100%的CO高選擇性。然而當(dāng)電壓繼續(xù)增大時，Au25開始出現(xiàn)明顯的析氫反應(yīng)，從而選擇性降低。而Pd1Au24一直到高于-1.2V的電壓才出現(xiàn)明顯的析氫反應(yīng)，所以選擇性更高。就催化活性而言，Pd1Au24也表現(xiàn)出更高的電流密度。值得注意的是在-1.2 V電壓下，Pd1Au24催化劑表現(xiàn)出1800 mACO / mg的高電流密度，在金基催化材料中名列前茅。在6小時穩(wěn)定性測試中，Pd1Au24表現(xiàn)出穩(wěn)定的電流密度以及恒定（接近100%）的CO選擇性。這種高選擇性以及催化活性一方面是由于金納米團簇表面具有良好的活性位點，另一方面也是得益于其超小的尺寸帶來的高比表面。Pd1Au24在高電壓下更好的CO選擇性引起了我們的興趣，因此我們結(jié)合理論計算對納米團簇的催化機理進行了深入分析。我們首先對完整的團簇進行模擬，結(jié)果表明需要極高的電壓才能確保反應(yīng)順利進行。因此，我們提出了ligand removal反應(yīng)路徑，即表面硫醇配體在電壓作用下離去并暴露催化活性位點。在活性位點的探索中，我們提出了S以及Au這兩種可能存在的位點。若離去整個硫醇配體，將得到金位點；若離去硫醇的碳尾部分，則得到S位點。在計算ligand removal的能量后，我們發(fā)現(xiàn)S位點的形成在兩種催化劑中都相對更容易。對于Au位點的形成，Pd1Au24比Au25需要更大的能量。因此，我們認為在低電壓下，兩種催化劑都傾向于形成S活性位點；而在高壓下，相比較于Pd1Au24團簇， Au25將會有更大比例的Au位點出現(xiàn)。我們分別對兩種材料的Au，S兩種位點進行了二氧化碳還原以及析氫反應(yīng)電催化計算，F(xiàn)ree energy diagram結(jié)果表明Pd1Au24的S位點最適合生成CO，同時具有最高的析氫反應(yīng)能量勢壘。這與我們的實驗結(jié)果高度一致。另外我們發(fā)現(xiàn)Au位點相較于S位點普遍擁有更佳的析氫反應(yīng)能力。結(jié)合ligand removal的能量需求，我們認為Pd1Au24更高的CO選擇性是由于鈀的摻入提高了硫醇與金原子的結(jié)合力，從而抑制了Au活性位點的生成，進而增強了CO的選擇性。反之，Au25團簇在高電壓范圍由于Au位點的增加而導(dǎo)致析氫反應(yīng)增強，而CO選擇性變低。這一結(jié)論很好地解釋了實驗結(jié)果。兩種團簇的電催化性能差異表明摻雜效應(yīng)在團簇電催化中具有重要的作用。通過一個鈀原子的摻雜我們實現(xiàn)了高電壓范圍下CO的選擇性提升到近100%。 而基于真實團簇結(jié)構(gòu)的DFT分析揭示了摻雜原子的作用機理及其對電化學(xué)催化性能的影響，為后續(xù)高性能催化劑的設(shè)計與優(yōu)化提供了思路。這個工作是我在團簇電化學(xué)的第一次嘗試，未來我們還有更多相關(guān)的工作，包括精確控制不同摻雜位點，配體效應(yīng)的研究以及尺寸效應(yīng)等等。我們的最終目標(biāo)是通過對變量的精確控制來研究影響電化學(xué)性能的因素，建立一套結(jié)構(gòu)—催化特性的數(shù)據(jù)庫，最終延伸到傳統(tǒng)材料，并為將來高性能催化劑提供設(shè)計新思路。
