物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (7): 2007031.doi: 10.3866/PKU.WHXB202007031
所属专题: 电催化
收稿日期:
2020-07-14
录用日期:
2020-08-03
发布日期:
2020-08-06
通讯作者:
张伟,曹睿
E-mail:zw@snnu.edu.cn;ruicao@ruc.edu.cn
基金资助:
Xueqing Gao, Shujiao Yang, Wei Zhang(), Rui Cao(
)
Received:
2020-07-14
Accepted:
2020-08-03
Published:
2020-08-06
Contact:
Wei Zhang,Rui Cao
E-mail:zw@snnu.edu.cn;ruicao@ruc.edu.cn
About author:
Rui Cao. Email:ruicao@ruc.edu.cn (R.C.). Tel.: +86-29-81530727Supported by:
摘要:
自然界光合作用的析氧催化剂为不对称锰簇结构。催化中心除了自身特殊的结构外,还与周围氨基酸残基和水分子通过氢键来连接以提供高速的质子电子迁移通道。这些迁移通道对人工锰基析氧催化剂的开发和研究具有重要的启发意义,但却较少受到关注。本文通过简单的共沉淀法制备了一种夹有乙二胺离子和水分子的磷酸锰纳米片,磷酸锰与层间分子通过氢键连接,形成了氢键网络,一定程度上模拟了自然界析氧中心的外围结构。与氢键网络被破坏的磷酸锰纳米片相比,这种含有丰富、广泛和连续氢键网络的磷酸锰纳米片在中性条件下具有较高的催化析氧性能。磷酸锰纳米片中的氢键网络具有与光系统II中氢键网络类似的功能,它加快了质子的转移速率,从而促进电催化水氧化。
MSC2000:
高学庆, 杨树姣, 张伟, 曹睿. 胺和水插层磷酸锰仿生模拟氢键网络用于电催化水氧化[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2007031.
Xueqing Gao, Shujiao Yang, Wei Zhang, Rui Cao. Biomimicking Hydrogen-Bonding Network by Ammoniated and Hydrated Manganese (Ⅱ) Phosphate for Electrocatalytic Water Oxidation[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2021, 37(7): 2007031.
Fig 6
(a) LSV polarization curves of (EDAI)(H2O)MnPi, (EDAI)MnPi, and (H2O)MnPi samples. (b) The anodic charging current at 0.84 V plotted against the scan rates, the slopes of which are capacitances of samples. (c) The normalized OER activity comparison of samples. The original activity is normalized by the ECSA of the materials determined in Fig. 6b. (d) CPE of the (EDAI)(H2O)MnPi at 1.86 V (vs RHE) without iR compensation."
1 |
Dogutan D. K. ; Nocera D. G. Acc. Chem. Res. 2019, 52, 3143.
doi: 10.1021/acs.accounts.9b00380 |
2 |
Gao X. ; Chen Y. ; Sun T. ; Huang J. ; Zhang W. ; Wang Q. ; Cao R. Energy Environ. Sci. 2020, 13, 174.
doi: 10.1039/c9ee02380a |
3 |
Li P. ; Zhao R. ; Chen H. ; Wang H. ; Wei P. ; Huang H. ; Liu Q. ; Li T. ; Shi X. ; Zhang Y. ; et al Small 2019, 15, 1805103.
doi: 10.1002/smll.201805103 |
4 |
Odella E. ; Mora S. J. ; Wadsworth B. L. ; Goings J. J. ; Gervaldo M. A. ; Sereno L. E. ; Groy T. L. ; Gust D. ; Moore T. A. ; Moore G. F. ; et al Chem. Sci. 2020, 11, 3820.
doi: 10.1039/c9sc06010c |
5 |
Devi T. ; Lee Y. -M. ; Nam W. ; Fukuzumi S. Coord. Chem. Rev. 2020, 410, 213219.
doi: 10.1016/j.ccr.2020.213219 |
6 |
Siegbahn P. E. M. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1871.
doi: 10.1021/ar900117k |
7 |
Harriman A. Eur. J. Inorg. Chem. 2014, 573
doi: 10.1002/ejic.201301540 |
8 |
Zhao D. ; Zhuang Z. ; Cao X. ; Zhang C. ; Peng Q. ; Chen C. ; Li Y. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 2215.
doi: 10.1039/c9cs00869a |
9 |
Ye S. ; Ding C. ; Liu M. ; Wang A. ; Huang Q. ; Li C. Adv. Mater. 2019, 31, 1902069.
doi: 10.1002/adma.201902069 |
10 |
Fukuzumi S. ; Lee Y.-M. ; Nam W. Dalton Trans. 2019, 48, 779.
doi: 10.1039/c8dt04341h |
11 |
Mavrokefalos C. K. ; Patzke G. R. Inorganics 2019, 7, 29.
doi: 10.3390/inorganics7030029 |
12 | Sun W. ; Lin J. ; Liang X. ; Yang J. ; Ma B. ; Ding Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1905025. |
孙万军; 林军奇; 梁向明; 杨峻懿; 马宝春; 丁勇. 物理化学学报, 2020, 36, 1905025.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201905025 |
|
13 |
Shaffer D. W. ; Xie Y. ; Concepcion J. J. Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 6170.
doi: 10.1039/c7cs00542c |
14 |
Shen J. R. Annu. Rev. Plant Physiol. 2015, 66, 23.
doi: 10.1146/annurev-arplant-050312-120129 |
15 |
Yano J. ; Yachandra V. Chem. Rev. 2014, 114, 4175.
doi: 10.1021/cr4004874 |
16 |
Lubitz W. ; Chrysina M. ; Cox N. Photosynth. Res. 2019, 142, 105.
doi: 10.1007/s11120-019-00648-3 |
17 |
Wang Y. ; Suzuki H. ; Xie J. ; Tomita O. ; Martin D. J. ; Higashi M. ; Kong D. ; Abe R. ; Tang J. Chem. Rev. 2018, 118, 5201.
doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00286 |
18 |
Li Z. ; Wang W. ; Ding C. ; Wang Z. ; Liao S. ; Li C. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 765.
doi: 10.1039/c6ee03401b |
19 |
Zaharieva I. ; Najafpour M. M. ; Wiechen M. ; Haumann M. ; Kurz P. ; Dau H. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2400.
doi: 10.1039/c0ee00815j |
20 |
Najafpour M. M. ; Zarei Ghobadi M. ; Sarvi B. ; Madadkhani S. ; Jafarian Sedigh D. ; Rafighi P. ; Tavahodi M. ; Shen J. -R. ; Allakhverdiev S. I. Int. J. Hydrog. Energy 2016, 41, 5504.
doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.01.131 |
21 |
McCool N. S. ; Robinson D. M. ; Sheats J. E. ; Dismukes G. C. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11446.
doi: 10.1021/ja203877y |
22 |
Ye S. ; Ding C. ; Chen R. ; Fan F. ; Fu P. ; Yin H. ; Wang X. ; Wang Z. ; Du P. ; Li C. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 3250.
doi: 10.1021/jacs.7b10662 |
23 |
Zhang T. ; Wang C. ; Liu S. ; Wang J. L. ; Lin W. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 273.
doi: 10.1021/ja409267p |
24 |
Hou H. J. M. Materials 2011, 4, 1693.
doi: 10.3390/ma4101693 |
25 |
Yamaguchi A. ; Inuzuka R. ; Takashima T. ; Hayashi T. ; Hashimoto K. ; Nakamura R. Nat. Commun. 2014, 5, 4256.
doi: 10.1038/ncomms5256 |
26 |
Kurz P. Top. Curr. Chem. 2016, 371, 49.
doi: 10.1007/128_2015_634 |
27 |
Najafpour M. M. ; Ghobadi M. Z. ; Haghighi B. ; Eaton-Rye J. J. ; Tomo T. ; Shen J. R. ; Allakhverdiev S. I. Biochemistry-Moscow 2014, 79, 324.
doi: 10.1134/s0006297914040026 |
28 |
Jin K. ; Park J. ; Lee J. ; Yang K. D. ; Pradhan G. K. ; Sim U. ; Jeong D. ; Jang H. L. ; Park S. ; Kim D. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 7435.
doi: 10.1021/ja5026529 |
29 |
Najafpour M. M. ; Renger G. ; Holynska M. ; Moghaddam A. N. ; Aro E. -M. ; Carpentier R. ; Nishihara H. ; Eaton-Rye J. J. ; Shen J. -R. ; Allakhverdiev S. I. Chem. Rev. 2016, 116, 2886.
doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00340 |
30 |
Najafpour M. M. ; Zaharieva I. ; Zand Z. ; Hosseini S. M. ; Kouzmanova M. ; Holynska M. ; Tranca I. ; Larkum A. W. ; Shen J. -R. ; Allakhverdiev S. I. Coord. Chem. Rev. 2020, 409, 213183.
doi: 10.1016/j.ccr.2020.213183 |
31 |
Dau H. ; Zaharieva I. ; Haumann M. Curr. Opin. Chem. Biol. 2012, 16, 3.
doi: 10.1016/j.cbpa.2012.02.011 |
32 |
Singh B. ; Indra A. Inorg. Chim. Acta 2020, 506, 119440.
doi: 10.1016/j.ica.2020.119440 |
33 |
Xiao Y. ; Zhu Q. ; Yang Y. ; Wang W. ; Kuang T. ; Shen J. -R. ; Han G. Photosynth. Res. 2020.
doi: 10.1007/s11120-020-00753-8 |
34 |
Sugiura M. ; Taniguchi T. ; Tango N. ; Nakamura M. ; Selles J. ; Boussac A. Physiol. Plant. 2020.
doi: 10.1111/ppl.13115 |
35 |
Lee Y. V. ; Tian B. Nano Lett. 2019, 19, 2189.
doi: 10.1021/acs.nanolett.9b00388 |
36 |
Petrie S. ; Terrett R. ; Stranger R. ; Pace R. J. ChemPhysChem 2020, 21, 785.
doi: 10.1002/cphc.201901106 |
37 |
Mueh F. ; Zouni A. Protein Sci. 2020, 29, 1090.
doi: 10.1002/pro.3841 |
38 |
Umena Y. ; Kawakami K. ; Shen J. R. ; Kamiya N. Nature 2011, 473, 55.
doi: 10.1038/nature09913 |
39 |
Vogt L. ; Vinyard D. J. ; Khan S. ; Brudvig G. W. Curr. Opin. Chem. Biol. 2015, 25, 152.
doi: 10.1016/j.cbpa.2014.12.040 |
40 |
Guerra F. ; Siemers M. ; Mielack C. ; Bondar A.-N. J. Phys. Chem. B 2018, 122, 4625.
doi: 10.1021/acs.jpcb.8b00649 |
41 |
Isobe H. ; Shoji M. ; Shen J. -R. ; Yamaguchi K. J. Phys. Chem. B 2015, 119, 13922.
doi: 10.1021/acs.jpcb.5b05740 |
42 |
Shoji M. ; Isobe H. ; Yamanaka S. ; Umena Y. ; Kawakami K. ; Kamiya N. ; Shen J. -R. ; Nakajima T. ; Yamaguchi K. Mol. Phys. 2015, 113, 359.
doi: 10.1080/00268976.2014.960021 |
43 |
Li Y. ; Yao R. ; Chen Y. ; Xu B. ; Chen C. ; Zhang C. Catalysts 2020, 10, 185.
doi: 10.3390/catal10020185 |
44 |
Dismukes G. C. ; Brimblecombe R. ; Felton G. A. N. ; Pryadun R. S. ; Sheats J. E. ; Spiccia L. ; Swiegers G. F. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1935.
doi: 10.1021/ar900249x |
45 |
Escobal J. ; Pizarro J. L. ; Mesa J. L. ; Lezama L. ; Olazcuaga R. ; Arriortua M. I. ; Rojo T. Chem. Mater. 2000, 12, 376.
doi: 10.1021/cm9910815 |
46 |
Zhao H. R. ; Xue C. ; Li C. P. ; Zhang K. M. ; Luo H. B. ; Liu S. X. ; Ren X. M. Inorg. Chem. 2016, 55, 8971.
doi: 10.1021/acs.inorgchem.6b01438 |
[1] | 黄小雄, 马英杰, 智林杰. 超薄氮掺杂碳纳米片负载单原子镍用于高效电催化还原二氧化碳[J]. 物理化学学报, 2022, 38(2): 2011050 -0 . |
[2] | 杜亚东, 孟祥桐, 汪珍, 赵鑫, 邱介山. 石墨烯基二氧化碳电化学还原催化剂的研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(2): 2101009 -0 . |
[3] | 包玉菲, 冯立纲. PdNi/石墨烯气凝胶电催化甲酸氧化[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2008031 -0 . |
[4] | 薛延荣, 王兴栋, 张向前, 方锦杰, 许志远, 张宇烽, 刘雪瑞, 刘梦园, 朱威, 庄仲滨. 具有经济性的碱性膜燃料电池氢气氧化反应催化剂[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2009103 -0 . |
[5] | 丁亮, 唐堂, 胡劲松. 基于金属-氮-碳结构催化剂的质子交换膜燃料电池研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2010048 -0 . |
[6] | 梁嘉顺, 刘轩, 李箐. 提升燃料电池铂基催化剂稳定性的原理、策略与方法[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2010072 -0 . |
[7] | 刘苗苗, 杨茅茂, 舒欣欣, 张进涛. 燃料电池碳基氧还原催化剂的设计与应用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2007072 -0 . |
[8] | 黄磊, Zaman Shahid, 王志同, 牛慧婷, 游波, 夏宝玉. 铂基空心纳米框架的合成及其在直接醇燃料电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2009035 -0 . |
[9] | 李峥嵘, 申涛, 胡冶州, 陈科, 陆贇, 王得丽. 有序金属间化合物电催化剂在燃料电池中的应用进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2010029 -0 . |
[10] | 李艳, 胡星盛, 黄静伟, 王磊, 佘厚德, 王其召. 铁基多相助催化剂光电化学水氧化研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2009022 -0 . |
[11] | 徐冰妍, 张应, 皮业灿, 邵琪, 黄小青. 镍基金属有机框架及其衍生物在电催化析氧反应中的研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2009074 -0 . |
[12] | 高增强, 王聪勇, 李俊俊, 朱亚廷, 张志成, 胡文平. 导电金属有机框架材料在电催化中的成就,挑战和机遇[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2010025 -0 . |
[13] | 肖瑶, 裴煜, 胡一帆, 马汝广, 王德义, 王家成. 磷化钴封装在磷富集的三维多孔碳及其双功能氧电催化性能研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2009051 -0 . |
[14] | 闫大强, 张林, 陈祖鹏, 肖卫平, 杨小飞. 镍基金属有机框架衍生的双功能电催化剂用于析氢和析氧反应[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2009054 -0 . |
[15] | 郝磊端, 孙振宇. 基于金属氧化物材料的二氧化碳电催化还原[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2009033 -0 . |
|