北工大新能源所汪浩@韓昌報團隊EES:單原子Pt修飾的Co(OH)2@Ag NWs用于高效HER

引言

氫氣因其環保的反應過程和較高的能源密度成為了最具發展前景的能源載體之一。電解水析氫（HER）因具有產品純度高、工業化成熟、無污染且原材料資源豐富等優點被認為是未來通向氫能源經濟的最佳途徑。而電解水技術發展的瓶頸是電解能耗較高，需要高效的催化劑來降低電化學反應過電位。在HER催化劑中，Pt具有較低的過電位和更高的電流密度。然而，高成本和稀缺性阻礙了其大規模的實際應用。單原子催化劑可以最大程度地提高金屬原子利用率，通過少量的貴金屬修飾來提高催化劑催化活性被認為是促進HER應用的有效途徑。隨著原子配位結構的變化，Pt單原子催化劑展現出可調控的HER反應活性。因此，對鉑族元素局部原子配位環境的調控具有重要的意義，可以為調節催化劑的電子結構和幾何結構提供新的途徑，從而提高單原子催化劑的催化活性和反應選擇性。

成果簡介

近日，北京工業大學汪浩教授和韓昌報教授團隊在單原子催化劑構筑及高效電催化產氫（HER）的應用研究中取得重要突破。該團隊開創性地在高導電性的銀納米線網絡系統中對單原子鉑的電子結構進行有效調控，實現了催化活性的顯著增強，制備出高性能的HER納米復合材料（Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs）。其中，Ag NWs的引入為電催化產氫反應過程中電子傳輸提供了便捷的通道，有效降低了電子的界面轉移電阻。多級的納米結構暴露了更多的單原子活性位點，為催化反應提供了大的電化學表面積和傳質通道、促進了氫的快速生成和釋放。X射線吸收精細結構（XAFS）研究和密度泛函理論（DFT）計算表明，Pt原子與Co(OH)₂中的O成鍵形成Pt-O配位結構，在Pt原子頂端形成電荷富集的局部電場。這種電場特征導致了H*自由能更適中。該體系中，Pt的引入提升了整個催化劑體系在費米能級處的d電子密度，進一步促進了H₂O的吸附。基于以上特征，?Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs催化劑在堿性溶液中表現出杰出的HER活性，在10 mA cm^-2處，僅具有29 mV的超電勢，其質量活性比商業Pt/C催化劑高22.5倍。本研究結果對原子尺度上合理設計和調控金屬單原子催化劑具有重要的指導意義。該成果以“Seamlessly Conductive Co(OH)₂?Tailored Atomically Dispersed Pt Electrocatalyst in Hierarchical Nanostructure for Efficient Hydrogen Evolution reaction”為題，發表于國際頂級期刊《Energy & Environmental Science》（IF：30.289）（文章DOI: 10.1039/D0EE01347A）。北京工業大學為該論文的唯一完成單位，博士周開嶺為該論文的第一作者，韓昌報教授和王長昊講師為共同通訊、博士王澤霖、張倩倩教授、柯小行教授、劉晶冰副教授和汪浩教授為論文合作者。該項研究工作獲得國家自然科學基金、北京市科技新星計劃項目、北京市自然科學基金項目等項目的資助。

圖文導讀

圖1. Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs催化劑合成示意圖

圖2. Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs催化劑結構表征.

圖3. Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs催化劑的原子結構分析。

圖4. Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs催化劑HER性能測試。

圖5. Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs的HER催化機理探究。

總結和展望

綜上所述，本研究從催化劑納米結構設計和本征活性增強兩個方面同時入手，通過在一維的Ag NWs上構筑高活性單原子Pt修飾的Co(OH)₂納米片復合結構催化。通過Pt-Co(OH)₂相互作用，在催化劑表面成了更利于*H吸附自由能的電子結構，為理解單原子本征催化活性提供了有效的途徑。此外，整個制備過程在常溫常壓下進行，僅涉及電化學反應過程，為貴金屬及非貴金屬單原子催化劑的制備和發展提供了思路。

課題組簡介

北京工業大學新能源材料與技術研究所在嚴輝教授、王如志教授及汪浩教授帶領下，長期從事納米&半導體能源材料與器件的集成及智能化技術應用研究，在國際頂級期刊如Energy & Environment Science、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy、Chemical Reviews等發表學術論文800余篇，出版學術專著10余部，授權發明專利200余項，實現重大科技成果轉化10余項，主持國家重點基金、自然科學基金、北京市重點基金及軍工項目等50余項。

本文由作者團隊供稿。