北工大韩昌报&柯小行&汪浩Nature Communications：单原子Pt电催化裂解水产氢质量活性高达20.6 A mg-1

youyoucao 3年前 (2021-06-18) 10655浏览

引言

氢气（H₂)由于其对环境的友好性和高的能量密度而被认为是替代化石燃料的最有前途的能源载体。以风能或太阳能为动力的电催化水裂解制氢技术被认为是一种可持续的产氢策略，而通过催化剂有效降低析氢反应过程中的能量垒是促进电解水产氢的理想方法。在这方面，尽管非贵金属催化剂已经取得了显著的进展，然而铂（Pt）基材料因其与氢的最佳结合能力仍然被认为是最有效的电解水产氢催化剂。然而，铂的高成本和稀缺性极大地阻碍了其在氢气生产电解槽中的大规模应用。单原子催化剂（SACs）提供了一种降低Pt含量同时保持其高本征活性的有效途径。由于酸性介质中的催化剂体系稳定较差，导致其实际应用中存在安全性和成本问题。因此，碱性条件下的电解水产氢技术越来越受到人们的关注。然而，由于水解离反应的活化能较高（Volmer step），碱性条件下Pt基催化剂的HER活性比酸性条件下低约两个数量级。因此，降低碱性介质中Pt单原子催化剂Volmer步骤的水离解能对工业化大规模生产氢气至关重要。一般来说，H₂O的离解和H*的转化发生在不同的催化位点上，而Pt基催化剂在碱性条件下的产氢活性受羟基（OH*）的结合能力控制。因此，通过双活性位点独立调节反应物中间体OH*和H*的结合能，有望实现碱性电解水产氢动力的提升。

基于以上研究背景，近日，北京工业大学韩昌报教授、柯小行副教授和汪浩教授团队在碱性环境中的单原子催化剂构筑及电催化产氢（HER）的应用研究中取得重要突破。该团队将单原子Pt与具有双活性位点的NiO/Ni异质结进行耦合（Pt_SA-NiO/Ni），制备出了具有高活性的碱性电解水产氢催化剂。研究发现，在Pt_SA-NiO/Ni结构中，金属Ni和O空位修饰的NiO作为双活性位分别对OH*和H*表现出较好的吸附亲和力。与Pt_SA-Ni和Pt_SA-NiO催化剂相比，Pt_SA-NiO/Ni催化剂在Volmer步骤能够有效地促进水吸附，并以较低的能垒达到快速水离解的目的。此外，将单原子Pt锚定在NiO/Ni异质结构的界面处能够在Pt原子位点顶端构筑一层电子富集区，获得更适中的H结合能(ΔG_H* = -0.07 eV），有效地促进了H*转化和H₂解吸，使得催化剂整体碱性电解水产氢的动力得到极大提升。基于以上特征，该团队最终所制备的Pt_SA-NiO/Ni催化剂在碱性溶液中表现出杰出的催化电解水产氢性能，在10 mA cm^-2处，仅具有26 mV的超低电势，其Pt原子的质量活性高达20.6 A mg^-1，比商业Pt/C催化剂高41倍。本研究对原子尺度上调控金属单原子电子结构和催化活性具有重要的指导意义。

该成果以“Platinum Single-Atom Catalyst Coupled with Transition Metal/metal Oxide Heterostructure for Accelerating Alkaline Hydrogen Evolution Reaction”为题，发表于国际顶级期刊《Nature Communications》（文章DOI: 10.1038/s41467-021-24079-8）。北京工业大学为该论文的唯一完成单位，周开岭博士和王泽霖博士为该论文的共同第一作者，韩昌报教授、柯小行副教授和汪浩教授为共同通讯，王长昊讲师、金玉红讲师、张倩倩教授、刘晶冰副教授和严辉教授为论文的合作者。该项研究工作获得国家自然科学基金、北京市教育委员会科技发展项目、北京市科技新星计划项目、北京市教育委员会、北京市高水平创新团队建设项目、国家自然科学基金创新研究群体科学基金等项目的资助。

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