《ACS AMI》:乙二胺功能化增强石墨烯量子点的碱性析氢反应!

该研究通过酰胺偶联反应合成了与乙二胺(EDA)共价官能化的石墨烯量子点(GQDs),并利用上述GQD设计并改性了一个成功的光催化水分解体系。重要的是,EDA功能化GQDs的析氢反应(HER)活性比裸GQDs高得多,EDA功能化GQD的HER活性与pH成比例地增加,并在pH = 10时达到峰值,这与裸GQD的HER催化速率随pH值变化而降低形成鲜明对比。

氢能是新型可再生和生态友好型能源最有前途的候选者之一,为了以环保的方式生产氢能,建立光催化水分解体系已经成为研究热点。

为避免酸性介质中的光催化剂不稳定的问题和贵金属催化剂的毒性,腐蚀性和低选择性的难题,首尔国立大学先进材料研究所的Soo Young Park研究团队利用乙二胺(EDA)功能化的石墨烯量子点(GQDs)构建了一套稳定的光分解水体系,相关研究成果以“Enhancing the Alkaline Hydrogen Evolution Reaction of Graphene Quantum Dots by Ethylenediamine Functionalization”为题发表于ACS Applied Materials Interfaces。

《ACS AMI》:乙二胺功能化增强石墨烯量子点的碱性析氢反应!

首先,作者分别制备了氧化石墨烯(GO)和石墨烯量子点(GQD),并通过XPS、拉曼和HR-TEM等几种结构和光谱分析对GO和GQD进行了表征,证实了GO成功合成并转化为GQD。接下来,作者对乙二胺功能化的石墨烯量子点(GQD-EDA)进行了表征。TEM表明GQD-EDA颗粒的尺寸分布在6至8nm之间,与原始GQD的尺寸分布几乎相同,HR-TEM清楚地显示出与石墨烯(1120)面内晶格间距相关的晶格间距为0.24nm的晶体结构。结合XRD分析,作者认为EDA功能化后核心GQD结构的物理性质没有显着变化。FT-IR和XPS光谱证明了GQD与EDA共价功能化,而拉曼光谱证明EDA功能化后产生了结构缺陷状态。

《ACS AMI》:乙二胺功能化增强石墨烯量子点的碱性析氢反应!

作者测量了用不同量的EDA合成的GQD-EDA样品的光催化HER活性,结果表明,EDA功能化显著提高了GQD的HER性能,其中EDA占比为16.2 wt%(GQD-5EDA与0.5 mL EDA合成)的GQD-EDA具有最佳光催化性能。从pH依赖性结果来看,碱性溶液中GQD-EDA催化HER的活性增强远远大于中性溶液。这意味着EDA功能化可以通过提供作为额外水解离位点的伯胺位点来帮助GQD在碱性溶液中有效地产生氢气。

《ACS AMI》:乙二胺功能化增强石墨烯量子点的碱性析氢反应!

有意思的是,作品从亲水性、电化学特性和电荷分离性能等角度对GQD-EDA催化HER的过程进行了分析。首先,EDA功能化降低了水接触角,这意味着EDA的伯胺容易吸附水分子为提高催化效率提供了物质基础;其次,电催化结果明显表明,EDA功能化通过提供额外的水解离位点和促进电荷分离,可以显著促进HER并提高光催化效率;最后,通过对GQD和GQD-EDA在420nm发射波长下的荧光寿命进行测量直接证明了EDA功能化有助于改善GQD的电荷分离性能。

《ACS AMI》:乙二胺功能化增强石墨烯量子点的碱性析氢反应!

进一步地,作者研究了胺基团距离GQDs对HER性能的影响。结果表明,无论其链长如何,胺基团的引入都可以改善HER性能。值得注意的是,随着链长度的增加,HER性能下降,GQD-EDA显示出比其他样品更高的HER性能。作者将这一现象解释为,当吸附的水分子远离GQD时,它们变得更加难以接收电子。

总之,作者通过GQD的羧基与EDA胺之间的酰胺键形成反应,成功地合成了具有EDA功能化的GQDs。与纯GQD相比,GQD–EDA表现出光催化HER性能的增强。这项工作不仅展示了一种简单而有前途的策略,可以在碱性溶液中设计一种高效的无金属光触媒材料,还为碳点基催化材料的应用开拓了更加广阔的前景。(文:文和)

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