Sulfur-doped graphene anchoring of ultrafine Au25 nanoclusters for electrocatalysis

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作者
Mufan Li,Bei Zhang,Tao Cheng,Sunmoon Yu,Sheena Louisia,Chubai Chen,Shouping Chen,Stefano Cestellos-Blanco,William A. Goddard,Peidong Yang
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:14 (10): 3509-3513 被引量:37
标识
DOI:10.1007/s12274-021-3561-2
摘要

The biggest challenge of exploring the catalytic properties of under-coordinated nanoclusters is the issue of stability. We demonstrate herein that chemical dopants on sulfur-doped graphene (S-G) can be utilized to stabilize ultrafine (sub-2 nm) Au₂₅ (PET)₁₈ clusters to enable stable nitrogen reduction reaction (NRR) without significant structural degradation. The Au₂₅@S-G exhibits an ammonia yield rate of 27.5μg_(NH₃)⋅mgAu⁻¹⋅h⁻¹ at −0.5 V with faradic efficiency of 2.3%. More importantly, the anchored clusters preserve ∼ 80% NRR activity after four days of continuous operation, a significant improvement over the 15% remaining ammonia production rate for clusters loaded on undoped graphene tested under the same conditions. Isotope labeling experiments confirmed the ammonia was a direct reaction product of N₂ feeding gas instead of other chemical contaminations. Ex-situ X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray absorption near-edge spectroscopy of post-reaction catalysts reveal that the sulfur dopant plays a critical role in stabilizing the chemical state and coordination environment of Au atoms in clusters. Further ReaxFF molecular dynamics (RMD) simulation confirmed the strong interaction between Au nanoclusters (NCs) and S-G. This substrate-anchoring process could serve as an effective strategy to study ultrafine nanoclusters’ electrocatalytic behavior while minimizing the destruction of the under-coordinated surface motif under harsh electrochemical reaction conditions.
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