Introducing Novel, Multiple Cd Coordination Modes into Gold Nanoclusters by Combined Doping for Enhancing Electrocatalytic Performance

Zhen Liu ,  Xiangfu Meng ,  Wanmiao Gu ,  Jun Zha ,  Nan Yan ,  Qing You ,  Nan Xia ,  Hui Wang ,  Zhikun Wu

Citation:  Zhen Liu, Xiangfu Meng, Wanmiao Gu, Jun Zha, Nan Yan, Qing You, Nan Xia, Hui Wang, Zhikun Wu. Introducing Novel, Multiple Cd Coordination Modes into Gold Nanoclusters by Combined Doping for Enhancing Electrocatalytic Performance[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(12): 221206. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212064 shu

组合掺杂引入新型、多种镉配位方式增强金纳米团簇的电催化性能

    通讯作者: 王辉, hw39@hmfl.ac.cn
    伍志鲲, zkwu@issp.ac.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21829501

    国家自然科学基金 21925303

    国家自然科学基金 22171267

    国家自然科学基金 22171268

    国家自然科学基金 21771186

    国家自然科学基金 21222301

    国家自然科学基金 21171170

    国家自然科学基金 21528303

    安徽省自然科学基金 2008085MB31

    安徽省自然科学基金 2108085MB56

    中国科学院合肥研究院院长基金 BJPY2019A02

    中国科学院合肥科学中心协同创新项目 2020HSC-CIP005

    中国科学院合肥科学中心协同创新项目 2022HSC-CIP018

摘要: 为提高金纳米团簇电催化还原二氧化碳生成一氧化碳的电流密度,本文引入了一种组合掺杂法(同时掺入硫和镉),合成一种新型Au-Cd纳米团簇—Au41Cd6S2(SCH2Ph)33,并对其组成结构进行了精确表征。单晶结构表明,它包含一个双二十面体的Au23内核,所有的镉原子都掺杂在外壳层中且具有多种配位环境,外层staple (类订书针结构)除两个常见的Au3(SR)4三聚体外,还有两条独特的Au5Cd2(SR)9S长staple交叉覆盖在内核顶部,此外还发现了(S-Au-S)2(CdS-S-CdS)四聚体,这种两个Cd原子通过S原子直接相连的结构也为首次报道。与“同核异壳”的Au38(SCH2Ph)24团簇相比,Au41Cd6S2(SCH2Ph)33表现出更高的法拉第效率(−0.7 V电位时达99.3%)和更高的CO分电流密度(−0.9 V电位时为120 mA∙cm−2)。利用理论计算结果对Au41Cd6S2(SCH2Ph)33的高催化活性进行了解释,揭示Cd-Cd是最高活性位点,离内核最远的Au-Cd位点在同时考虑活性和选择性的情况下是最优的活性位点。本工作提供了一种提高金纳米团簇催化性能的策略,对金纳米团簇的合成、结构及构效关系研究具有重要的启发意义,有望推动相关研究的开展。

English

    1. [1]

      Liu, Y.; Tsunoyama, H.; Akita, T.; Tsukuda, T. Chem. Commun. 2010, 46 (4), 550. doi: 10.1039/b921082b

    2. [2]

      Zhu, J.; Xia, L.; Yu, R.; Lu, R.; Li, J.; He, R.; Wu, Y.; Zhang, W.; Hong, X.; Chen, W.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144 (34), 15529. doi: 10.1021/jacs.2c03982

    3. [3]

      连超, 张垲, 王远. 物理化学学报, 2017, 33 (5), 984. doi: 10.3866/PKU.WHXB201702084Lian, C.; Zhang, K.; Wang, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33 (5), 984. doi: 10.3866/PKU.WHXB201702084

    4. [4]

      于彦会, 饶鹏, 封苏阳, 陈民, 邓培林, 李静, 苗政培, 康振烨, 沈义俊, 田新龙. 物理化学学报, 2023, 39, 2210039. doi: 10.3866/PKU.WHXB202210039Yu, Y.; Rao, P.; Feng, S.; Chen, M.; Deng, P.; Li, J.; Miao, Z.; Kang, Z.; Shen, Y.; Tian, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2210039. doi: 10.3866/PKU.WHXB202210039

    5. [5]

      Wang, M.; Wu, Z.; Yang, J.; Wang, G.; Wang, H.; Cai, W. Nanoscale 2012, 4 (14), 4087. doi: 10.1039/c2nr30169e

    6. [6]

      Xia, N.; Yang, J.; Wu, Z. Nanoscale 2015, 7 (22), 10013. doi: 10.1039/c5nr00705d

    7. [7]

      Lu, T. Q.; Xu, H.; Cheng, L. T.; Wang, X. T.; Chen, C.; Cao, L.; Zhuang, G. L.; Zheng, J.; Zheng, X. Y. Inorg. Chem. 2022, 61 (23), 8861. doi: 10.1021/acs.inorgchem.2c00898

    8. [8]

      Yang, J.; Xia, N.; Wang, X.; Liu, X.; Xu, A.; Wu, Z.; Luo, Z. Nanoscale 2015, 7 (44), 18464. doi: 10.1039/c5nr06421j

    9. [9]

      Li, Q.; Wang, F.; Shi, L.; Tang, Q.; Li, B.; Wang, X.; Jin, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14 (33), 37280. doi: 10.1021/acsami.2c05944

    10. [10]

      Pang, Z.; Yan, W.; Yang, J.; Li, Q.; Guo, Y.; Zhou, D.; Jiang, X. ACS Nano 2022, 16 (10), 16019. doi: 10.1021/acsnano.2c03752

    11. [11]

      俞炜铃, 左会文, 陆春海, 李奕, 章永凡, 陈文凯. 物理化学学报, 2015, 31 (3), 425. doi: 10.3866/PKU.WHXB201501191Yu, W.; Zuo, H.; Lu, C.; Li, Y.; Zhang, Y.; Chen, W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31 (3), 425. doi: 10.3866/PKU.WHXB201501191

    12. [12]

      Sagadevan, A.; Ghosh, A.; Maity, P.; Mohammed, O. F.; Bakr, O. M.; Rueping, M. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144 (27), 12052. doi: 10.1021/jacs.2c02218

    13. [13]

      Gao, Z. H.; Wei, K.; Wu, T.; Dong, J.; Jiang, D. E.; Sun, S.; Wang, L. S. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144 (12), 5258. doi: 10.1021/jacs.2c00725

    14. [14]

      Yang, B.; Chen, L.; Xue, S.; Sun, H.; Feng, K.; Chen, Y.; Zhang, X.; Xiao, L.; Qin, Y.; Zhong, J.; et al. Nat. Commun. 2022, 13 (1), 5122. doi: 10.1038/s41467-022-32740-z

    15. [15]

      Levi-Kalisman, Y.; Jadzinsky, P. D.; Kalisman, N.; Tsunoyama, H.; Tsukuda, T.; Bushnell, D. A.; Kornberg, R. D. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 (9), 2976. doi: 10.1021/ja109131w

    16. [16]

      周洋, 李志敏, 郑凯, 李杲. 物理化学学报, 2018, 34 (7), 786. doi: 10.3866/PKU.WHXB201709292Zhou, Y.; Li, Z.; Zheng, K.; Li, G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34 (7), 786. doi: 10.3866/PKU.WHXB201709292

    17. [17]

      祝敏, 李漫波, 姚传好, 夏楠, 赵燕, 闫楠, 廖玲文, 伍志鲲. 物理化学学报, 2018, 34 (7), 792. doi: 10.3866/PKU.WHXB201710091Zhu, M.; Li, M.; Yao, C.; Xia, N.; Zhao, Y.; Yan, N.; Liao, L.; Wu, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34 (7), 792. doi: 10.3866/PKU.WHXB201710091

    18. [18]

      Xia, N.; Wu, Z. Chem. Sci. 2020, 12 (7), 2368. doi: 10.1039/d0sc05363e

    19. [19]

      Guan, Z. J.; Li, J. J.; Hu, F.; Wang, Q. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61 (51), e202209725. doi: 10.1002/anie.202209725

    20. [20]

      伍志鲲. 物理化学学报, 2017, 33 (10), 1930. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706026Wu, Z. K. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33 (10), 1930. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706026

    21. [21]

      Wang, Z.; Senanayake, R.; Aikens, C. M.; Chen, W. M.; Tung, C. H.; Sun, D. Nanoscale 2016, 8 (45), 18905. doi: 10.1039/c6nr06615a

    22. [22]

      金荣超. 物理化学学报, 2019, 35 (3), 245. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803213Jin, R. C. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35 (3), 245. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803213

    23. [23]

      Li, G.; Sui, X.; Cai, X.; Hu, W.; Liu, X.; Chen, M.; Zhu, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 (19), 10573. doi: 10.1002/anie.202100071

    24. [24]

      Xie, S.; Tsunoyama, H.; Kurashige, W.; Negishi, Y.; Tsukuda, T. ACS Catal. 2012, 2 (7), 1519. doi: 10.1021/cs300252g

    25. [25]

      Ma, X.; Sun, F.; Qin, L.; Liu, Y.; Kang, X.; Wang, L.; Jiang, D. E.; Tang, Q.; Tang, Z. Chem. Sci. 2022, 13 (34), 10149. doi: 10.1039/d2sc02886g

    26. [26]

      Zhuang, S.; Chen, D.; Liao, L.; Zhao, Y.; Xia, N.; Zhang, W.; Wang, C.; Yang, J.; Wu, Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59 (8), 3073. doi: 10.1002/anie.201912845

    27. [27]

      Li, S.; Nagarajan, A. V.; Alfonso, D. R.; Sun, M.; Kauffman, D. R.; Mpourmpakis, G.; Jin, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 (12), 6351. doi: 10.1002/anie.202016129

    28. [28]

      Sun, Y.; Liu, X.; Xiao, K.; Zhu, Y.; Chen, M. ACS Catal. 2021, 11 (18), 11551. doi: 10.1021/acscatal.1c02193

    29. [29]

      Li, Q.; Lambright, K. J.; Taylor, M. G.; Kirschbaum, K.; Luo, T. Y.; Zhao, J.; Mpourmpakis, G.; Mokashi-Punekar, S.; Rosi, N. L.; Jin, R. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 (49), 17779. doi: 10.1021/jacs.7b11491

    30. [30]

      Zhang, W.; Zhuang, S.; Liao, L.; Dong, H.; Xia, N.; Li, J.; Deng, H.; Wu, Z. Inorg. Chem. 2019, 58 (9), 5388. doi: 10.1021/acs.inorgchem.9b00125

    31. [31]

      Fan, J. Q.; Yang, Y.; Tao, C. B.; Li, M. B. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62 (6), e202215741. doi: 10.1002/anie.202215741

    32. [32]

      Yao, C.; Xu, C. Q.; Park, I. H.; Zhao, M.; Zhu, Z.; Li, J.; Hai, X.; Fang, H.; Zhang, Y.; Macam, G.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59 (21), 8270. doi: 10.1002/anie.202001034

    33. [33]

      Zhu, M.; Wang, P.; Yan, N.; Chai, X.; He, L.; Zhao, Y.; Xia, N.; Yao, C.; Li, J.; Deng, H.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57 (17), 4500. doi: 10.1002/anie.201800877

    34. [34]

      Gan, Z.; Chen, J.; Wang, J.; Wang, C.; Li, M. B.; Yao, C.; Zhuang, S.; Xu, A.; Li, L.; Wu, Z. Nat. Commun. 2017, 8, 14739. doi: 10.1038/ncomms14739

    35. [35]

      Gan, Z.; Chen, J.; Liao, L.; Zhang, H.; Wu, Z. J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9 (1), 204. doi: 10.1021/acs.jpclett.7b02982

    36. [36]

      Gan, Z.; Liu, Y.; Wang, L.; Jiang, S.; Xia, N.; Yan, Z.; Wu, X.; Zhang, J.; Gu, W.; He, L.; et al. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 5572. doi: 10.1038/s41467-020-19377-6

    37. [37]

      Meng, X.; Pan, G.; Liu, H.; Qian, Y.; Wang, X.; Wang, C.; Hu, L.; Wang, H.; Chen, Q. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14 (15), 17240. doi: 10.1021/acsami.2c00050

    38. [38]

      Wang, Y.; Wang, Z.; Dinh, C.-T.; Li, J.; Ozden, A.; Golam Kibria, M.; Seifitokaldani, A.; Tan, C.-S.; Gabardo, C. M.; Luo, M.; et al. Nat. Catal. 2019, 3 (2), 98. doi: 10.1038/s41929-019-0397-1

    39. [39]

      Kresse, G.; Hafner, J. Phys. Rev. B 1993, 47 (1), 558. doi: 10.1103/physrevb.47.558

    40. [40]

      Kresse, G.; Hafner, J. Phys. Rev. B 1994, 49 (20), 14251. doi: 10.1103/physrevb.49.14251

    41. [41]

      Kresse, G.; Furthmüller, J. Comp. Mater. Sci. 1996, 6 (1), 15. doi: 10.1016/0927-0256(96)00008-0

    42. [42]

      Kresse, G.; Furthmüller, J. Phys. Rev. B 1996, 54 (16), 11169. doi: 10.1103/physrevb.54.11169

    43. [43]

      Blöchl, P. E. Phys. Rev. B 1994, 50 (24), 17953. doi: 10.1103/physrevb.50.17953

    44. [44]

      Kresse, G.; Joubert, D. Phys. Rev. B 1999, 59 (3), 1758. doi: 10.1103/PhysRevB.59.1758.

    45. [45]

      Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77 (18), 3865. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865

    46. [46]

      Chadi, D. J. Phys. Rev. B 1977, 16 (4), 1746. doi: 10.1103/PhysRevB.16.1746

    47. [47]

      Qian, H.; Eckenhoff, W. T.; Zhu, Y.; Pintauer, T.; Jin, R. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132 (24), 8280. doi: 10.1021/ja103592z

    48. [48]

      Zhuang, S.; Liao, L.; Zhao, Y.; Yuan, J.; Yao, C.; Liu, X.; Li, J.; Deng, H.; Yang, J.; Wu, Z. Chem. Sci. 2018, 9 (9), 2437. doi: 10.1039/c7sc05019d

    49. [49]

      Yang, D.; Wang, J.; Wang, Q.; Yuan, Z.; Dai, Y.; Zhou, C.; Wan, X.; Zhang, Q.; Yang, Y. ACS Nano 2022, 16 (10), 15681. doi: 10.1021/acsnano.2c06059

    50. [50]

      Seong, H.; Efremov, V.; Park, G.; Kim, H.; Yoo, J. S.; Lee, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 (26), 14563. doi: 10.1002/anie.202102887

    51. [51]

      Wang, J.; Xu, F.; Wang, Z. Y.; Zang, S. Q.; Mak, T. C. W. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61 (32), e202207492. doi: 10.1002/anie.202207492

    52. [52]

      Zhuang, S.; Chen, D.; Fan, W.; Yuan, J.; Liao, L.; Zhao, Y.; Li, J.; Deng, H.; Yang, J.; Yang, J.; et al. Nano Lett. 2022, 22 (17), 7144. doi: 10.1021/acs.nanolett.2c02290

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  • 发布日期:  2023-12-15
  • 收稿日期:  2022-12-31
  • 接受日期:  2023-02-14
  • 修回日期:  2023-02-11
  • 网络出版日期:  2023-02-23
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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