Collaborative Research: High-resolution electrochemical and Correlated microscopic characterization of 2D electrocatalysts

合作研究:二维电催化剂的高分辨率电化学​​和相关微观表征

基本信息

  • 批准号:
    1900401
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 25.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-07-01 至 2023-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Professor Michael Mirkin of CUNY Queens College and Professor Huolin Xin of the University of California-Irvine are supported by the Chemical Catalysis Program of the Division of Chemistry to study two-dimensional materials, such as flat nanosheets of transition metal chalcogenides as electrocatalysts for speeding up the electrocatalytic production of hydrogen from water. The knowledge obtained is applicable to other important chemical reactions relevant to alternative energy production and storage technologies. The project seeks to develop a unique microscopy technique that allows for the high-resolution imaging of the reactive site. This imaging is conducted using two techniques: transmission electron microscopy (for atomic-scale structural information) and scanning electrochemical microscopy (for electrochemical information). Correlating the data of the two complementary techniques provides information on the nature of the catalytic nanosheet edges, defects and atomic steps. The information is needed to understand the catalytic activity of these materials. The project provides training for a diverse group of students in renewable energy related science and technology, including mathematical modeling and data processing and mining. Area middle school students are exposed to science research through hand-on experience in the investigators' laboratories. The overarching goal of this collaborative research is to visualize and quantify active sites on two-dimensional (2D) catalyst surfaces via high-resolution (i.e., equal or less than 10 nm) reactivity mapping by scanning electrochemical microscopy (SECM) in combination with scanning transmission electron microscopy (STEM) techniques. By using very small nanoelectrode probes and significantly increasing the SECM resolution the researchers map and quantitatively measure activities of the nanosheet edges, defects and atomic steps on 2D electrocatalysts and assess the effects of phase transformations and surface functionalization. The methodology is developed for multi-technique imaging of the same nanoscale portion of the catalytic surface to obtain spatially resolved mechanistic information about heterogeneous processes on 2D electrocatalysts. The nature of the active sites is elucidated by correlating the SECM activity maps with atomic scale structural and bonding information obtained by STEM and spatially resolved electron energy loss spectroscopy (STEM-EELS) with one-to-one correspondence. These approaches investigate two important classes of 2D materials - transition metal dichalcogenides and MXenes. The objective of the research project is to advance the understanding of factors influencing the activity/stability of 2D electrocatalysts and to help put forward new strategies for improving these properties.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
CUNY皇后学院的迈克尔·米尔金(Michael Mirkin)和加利福尼亚大学 - 艾尔文大学的Huolin Xin教授得到了化学催化计划,用于研究二维材料的化学催化计划,例如过渡金属Chalcogenides的平坦纳米片作为电催化剂的电型纳米材料,以加快对水中水力生产的电触电生产。 获得的知识适用于与替代能源生产和储存技术相关的其他重要化学反应。 该项目旨在开发一种独特的显微镜技术,该技术允许对反应性位点进行高分辨率成像。 该成像是使用两种技术进行的:透射电子显微镜(用于原子尺度的结构信息)和扫描电化学显微镜(用于电化学信息)。 将两种互补技术的数据相关联提供了有关催化纳米片边缘,缺陷和原子步骤的性质的信息。 需要信息来了解这些材料的催化活性。 该项目为各种可再生能源相关的科学和技术的学生提供培训,包括数学建模以及数据处理和采矿。 地区中学生通过调查人员实验室的手工经验接触科学研究。这项协作研究的总体目的是通过高分辨率(即相等或小于10 nm)的反应性映射通过扫描电化学显微镜(SECM)与扫描传输电子显微镜(STEM)技术组合在扫描电化学显微镜(SECM)上可视化和量化二维(2D)催化剂表面上的活性位点。 通过使用非常小的纳米电极探针并显着增加了SECM分辨率研究人员绘制并定量测量纳米片边缘的活性,在2D电催化剂上的缺陷和原子步骤,并评估相变和表面功能化的影响。 该方法是用于催化表面同一纳米级部分的多技术成像,以获得有关2D电催化剂上异质过程的空间分辨机械信息。 通过将SECM活性图与通过茎和空间解析的电子能量损耗光谱(STEM-EELS)与一对一的对应关系获得的原子尺度结构和键合信息,可以阐明活性位点的性质。 这些方法研究了两种重要类别的2D材料 - 过渡金属二甲构基因和mxenes。研究项目的目的是促进对影响2D电催化剂活动/稳定性的因素的理解,并帮助提出改善这些属性的新策略。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子优点和更广泛影响的审查标准来通过评估来支持的。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A single-atom library for guided monometallic and concentration-complex multimetallic designs
  • DOI:
    10.1038/s41563-022-01252-y
  • 发表时间:
    2022-05-23
  • 期刊:
  • 影响因子:
    41.2
  • 作者:
    Han, Lili;Cheng, Hao;Xin, Huolin L.
  • 通讯作者:
    Xin, Huolin L.
Probing Activities of Individual Catalytic Nanoflakes by Tunneling Mode of Scanning Electrochemical Microscopy
  • DOI:
    10.1021/acs.jpcc.1c07309
  • 发表时间:
    2021-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Tianyu Bo;Xiang Wang;Rui Jia;Lili Han;Huolin L. Xin;Hanyu Zhang;E. Miller;M. Mirkin
  • 通讯作者:
    Tianyu Bo;Xiang Wang;Rui Jia;Lili Han;Huolin L. Xin;Hanyu Zhang;E. Miller;M. Mirkin
Direct high-resolution mapping of electrocatalytic activity of semi-two-dimensional catalysts with single-edge sensitivity
Altering Ligand Fields in Single-Atom Sites through Second-Shell Anion Modulation Boosts the Oxygen Reduction Reaction
Rhombohedral Ordered Intermetallic Nanocatalyst Boosts the Oxygen Reduction Reaction
  • DOI:
    10.1021/acscatal.0c04021
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    12.9
  • 作者:
    Xueru Zhao;H. Cheng;Lianghao Song;Lili Han;Rui Zhang;Gihan Kwon;Lu Ma;S. Ehrlich;A. Frenkel-A.
  • 通讯作者:
    Xueru Zhao;H. Cheng;Lianghao Song;Lili Han;Rui Zhang;Gihan Kwon;Lu Ma;S. Ehrlich;A. Frenkel-A.
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    10.1016/j.nanoen.2016.07.038
  • 发表时间:
    2016-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
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    Sufen Liu;Weiping Xiao;Jie Wang;Jing Zhu;Zexing Wu;Huolin Xin;Deli Wang
  • 通讯作者:
    Deli Wang
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    Huolin Xin
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  • 影响因子:
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    Wenyan Liu;Miho Tagawa;Huolin Xin;Tong Wang;Hamed Emamy;Huilin Li;Kevin G. Yager;Francis W. Starr;Alexei V. Tkachenko;Oleg Gang;本間尚樹;大脇大,石黒章夫
  • 通讯作者:
    大脇大,石黒章夫
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    Wenyan Liu;Miho Tagawa;Huolin Xin;Tong Wang;Hamed Emamy;Huilin Li;Kevin G. Yager;Francis W. Starr;Alexei V. Tkachenko;Oleg Gang;本間尚樹
  • 通讯作者:
    本間尚樹

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