Nano Res.│杨培东教授：硫掺杂石墨烯锚定策略有效提高Au25纳米团簇电催化稳定性

背景介绍

与传统的纳米颗粒材料相比， 小尺寸纳米团簇因其独特的电子结构以及表面欠配位构型，具有独特的催化性质。然而纳米团簇在反应过程，尤其是电催化反应中易发生Ostwald 熟化从而团聚成大尺寸纳米颗粒。因此如何在反应过程当中维持纳米团簇稳定性是研究其结构与催化性质关系的一个重要挑战。通过增强载体与团簇间的相互作用力可实现这一目标。在电化学体系中，理想载体需要具备良好的导电性以及较强的锚定能力，从而最大限度地减少对欠配位超小纳米团簇结构的破坏。

成果简介

美国加州大学伯克利分校杨培东院士课题组通过使用硫掺杂石墨烯（S-G）作为锚定载体，有效地提高了超小Au25(PET)₁₈团簇（下简称Au25）在氮还原反应（NRR）中的稳定性。锚定后的Au25@S-G材料在经过连续4天的稳定性测试后依然保持了~ 80%的NRR活性，对比非掺杂石墨烯负载的Au25在相同稳定性测试后所剩余的15% NRR活性有着显著提高。反应后的TEM及STEM表征表明Au25@S-G材料具有出色的结构稳定性。X射线光电子能谱表明Au25与S-G上的硫掺杂物之间可形成化学键。X射线吸收近边能谱表明，含硫载体在反应过程中可有效维持团簇中金原子的化学价态及欠配位构型。ReaxFF分子动力学模拟进一步证实了Au25与S-G之间的强相互作。这种底物锚定方法可以作为研究超精细纳米团簇电催化行为的有效策略。

图文导读

图1 电化学测试及材料表征

图2 X射线光电子能谱及X射线吸收近边能谱

图3 ReaxFF分子动力学模拟计算模型

作者简介

杨培东（Peidong Yang），加州大学伯克利分校教授，国际顶级纳米材料科学家。美国艺术与科学院院士，美国国家科学院院士。课题组主页：http://nanowires.berkeley.edu/。

文章信息

Mufan Li, Bei Zhang, Tao Cheng, Sunmoon Yu, Sheena Louisia, Chubai Chen, Shouping Chen, Stefano Cestellos-Blanco, William A. Goddard III & Peidong Yang^*. Sulfur-doped graphene anchoring of ultrafine Au25 nanoclusters for electrocatalysis. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3561-2