石墨烯上的单位TI催化剂用于氢存储

一群研究人员最近在《杂志》上发表了一篇论文ACS能量信这表明使用单位钛（Ti）催化剂进行氢（H）₂）溢出和石墨烯上的存储。

学习：用单位TI催化剂在石墨烯上氢溢出和储存。图片来源：Sergey Dzyuba/Shutterstock.com

背景

涉及H的化学催化反应₂需要H的解离₂分子进入催化位点的H原子。h₂首先在三氧化钨/铂异质催化系统中观察到溢出。

随后关于H的几项研究₂溢出证明了H₂分子可以在金属催化剂上轻松分离，而所得的H原子迁移到相邻的载体，例如减少的金属氧化物，它们被化学吸附。

通常优化催化剂，以通过调节其几何形状，粒径和晶体学结构来实现所需的化学活性。但是，具有具有原子水平效率的孤立活性位点的合成催化剂的合成催化剂仍然是一个重大挑战。

不同的支持材料可以显着影响催化剂优化欧洲杯足球竞彩。在某些情况下，催化剂与支撑材料之间的稳健相互作用通过电荷转移效应增强了过渡金属催化剂的催化性能。

在先前的研究中成功制备了基于过渡金属的单原子催化剂（SAC），以减少有效催化氢溢出液所需的金属催化剂量。但是，需要有效地将其用于氢溢出物的催化活性进行更多改进。

碳支持，例如石墨烯，代表了金属氧化物支撑的合适替代品以促进H₂溢出以存放。碳原子与常规氧化物支撑相比，由于其更高的惰性性，碳原子不直接作为催化剂参与氢溢出反应过程。

但是，分离的H原子在石墨或石墨烯上的迁移在动力学上是不利的，这限制了H₂在石墨烯支撑上存储催化剂位点周围的小距离。因此，可以在石墨烯支持中化学吸附的H原子的数量是至关重要的因素，在使用石墨烯作为H₂贮存。

研究

在这项研究中，研究人员研究了单位TI催化剂在石墨烯中的作用₂使用基于同步加速器辐射的方法的溢出和存储。先前的研究表明，单个Ti原子在石墨烯上充满活力的空心位点吸附。研究人员使用Ti原子沉积来模仿石墨烯。

单晶石墨烯载体是通过在氢蚀刻的4H-Silicon碳化物（4H-SIC）（0001）底物上的电阻加热的冷壁反应器中的热分解来呈现的。

原始晶体石墨烯在780 MBAR压力下生长在氩气气氛下，温度为1600 K，持续10分钟，以达到足够的单层均匀性。随后，将0.03-0.5 mL Ti原子沉积在石墨烯层上时形成单位催化剂。

进行拉曼光谱和原子力显微镜（AFM），以评估单层石墨烯的同质性和质量。

在超高真空（UHV）条件下，将石墨烯样品在环境压力X射线光发射光谱（APXPS），X射线吸收光谱（XAS）和角度分辨光光度下，在900 k的900 k处退火超过7小时。光谱（ARPES）测量。

Ti载的石墨烯的电子结构，没有H的剂量₂使用ARPES研究了分子和原始石墨烯，而Ti装饰石墨烯的氢化百分比则具有H₂使用APXPS测量确定分子。

在连续H下给Ti饰面的石墨烯剂量后测量APXP和ARPES数据₂流动不同时期。使用Specs Phoibos 150 NAP测量APXPS和ARPES光谱，分别Specs Phoibos 150分析仪。

所有测量均在300 K的温度附近进行。Unifit 2013软件被用来反应XPS光谱。XAS光谱以总电子收益模式获得，并在直通扫描模式下记录以避免辐射损伤。使用石英晶体微量平衡（QCM）确定TI覆盖范围，因为它具有狭窄的共振，从而导致了极高的准确性和稳定的振荡。

观察

成功合成了TI载的石墨烯样品。由于强碳2p，观察到样品的Ti-Adatom诱导的带状结构重新归一化的样品覆盖率为0.03 mL/Low Ti覆盖率_z在石墨烯的空心部位分离的Ti原子的Ti 3D轨道杂交。

在暴露于H的Ti装饰石墨烯样品中观察到C-H键的形成₂，指示石墨烯载体上的氢溢出物。在没有氢剂量的情况下，在加载的石墨烯样品中未观察到C-H键。

当Ti装饰的石墨烯样品暴露于4.5 L H时，观察到石墨烯中的280 MEV带隙开口₂接近300 K的温度，表明气态H解离后石墨烯上H原子的化学吸附₂分离的Ti Sacs分子成H原子和氢溢出。

即使在h之后，也没有观察到带有TI载荷的带结构的重新归一化或修饰₂石墨烯样品的暴露，这表明Ti在促进分子H解离中的关键作用₂和石墨烯氢化。

280 MeV带隙的部分氢化石墨烯的H储存能力为10.6％，在上限为16.2％，下限为7.3％。孤立的TI SAC以0.45 E的速度促进了从Ti到石墨烯支持的电子转移。^-根据Ti原子，导致石墨烯的N型掺杂和高H储存活性，这为在石墨烯上使用SAC提供了一种更安全，更有效的方法。

石墨烯氢化仅发生在孤立的Ti的第一个最近的邻居议中，因为解离的H原子仅限于Ti催化中心周围的小距离。

0.03 mL Ti SAC的H储能容量为6.3％，接近从部分氢化石墨烯获得的7.3％的下限H储能值。当Ti沉积达到0.5 mL时，H储存能力非线上增加到13.5％，表明在0.1 mL沉积后Ti原子的聚集，以及用六边形粘液堆积的聚类簇在石墨烯上形成Ti纳米簇。

13.5±0.5％的氢化石墨烯的H覆盖率大于先前报道的晶体石墨烯原子氢化的H覆盖率为8.7-9％。

总而言之，这项研究的结果表明了一个简单的H₂TI SACS的溢出过程可以促进石墨烯上的共价氢键，这为在化学吸附H储存的碳支持上的单位催化剂的合理设计提供了有效的策略。

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来源

Convertino，D.，Heun，S.，Coletti，C。等。用单位TI催化剂在石墨烯上氢溢出和存储。ACS能量信2022。https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c00941

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