北工大韓昌報&柯小行&汪浩Nature Communications：單原子Pt電催化裂解水產氫質量活性高達20.6 A mg-1?

youyoucao 2年前 (2021-06-18) 7416瀏覽

?引言

氫氣（H₂)由于其對環境的友好性和高的能量密度而被認為是替代化石燃料的最有前途的能源載體。以風能或太陽能為動力的電催化水裂解制氫技術被認為是一種可持續的產氫策略，而通過催化劑有效降低析氫反應過程中的能量壘是促進電解水產氫的理想方法。在這方面，盡管非貴金屬催化劑已經取得了顯著的進展，然而鉑（Pt）基材料因其與氫的最佳結合能力仍然被認為是最有效的電解水產氫催化劑。然而，鉑的高成本和稀缺性極大地阻礙了其在氫氣生產電解槽中的大規模應用。單原子催化劑（SACs）提供了一種降低Pt含量同時保持其高本征活性的有效途徑。由于酸性介質中的催化劑體系穩定較差，導致其實際應用中存在安全性和成本問題。因此，堿性條件下的電解水產氫技術越來越受到人們的關注。然而，由于水解離反應的活化能較高（Volmer step），堿性條件下Pt基催化劑的HER活性比酸性條件下低約兩個數量級。因此，降低堿性介質中Pt單原子催化劑Volmer步驟的水離解能對工業化大規模生產氫氣至關重要。一般來說，H₂O的離解和H*的轉化發生在不同的催化位點上，而Pt基催化劑在堿性條件下的產氫活性受羥基（OH*）的結合能力控制。因此，通過雙活性位點獨立調節反應物中間體OH*和H*的結合能，有望實現堿性電解水產氫動力的提升。

基于以上研究背景，近日，北京工業大學韓昌報教授、柯小行副教授和汪浩教授團隊在堿性環境中的單原子催化劑構筑及電催化產氫（HER）的應用研究中取得重要突破。該團隊將單原子Pt與具有雙活性位點的NiO/Ni異質結進行耦合（Pt_SA-NiO/Ni），制備出了具有高活性的堿性電解水產氫催化劑。研究發現，在Pt_SA-NiO/Ni結構中，金屬Ni和O空位修飾的NiO作為雙活性位分別對OH*和H*表現出較好的吸附親和力。與Pt_SA-Ni和Pt_SA-NiO催化劑相比，Pt_SA-NiO/Ni催化劑在Volmer步驟能夠有效地促進水吸附，并以較低的能壘達到快速水離解的目的。此外，將單原子Pt錨定在NiO/Ni異質結構的界面處能夠在Pt原子位點頂端構筑一層電子富集區，獲得更適中的H結合能(ΔG_H*?= -0.07 eV），有效地促進了H*轉化和H₂解吸，使得催化劑整體堿性電解水產氫的動力得到極大提升。基于以上特征，該團隊最終所制備的Pt_SA-NiO/Ni催化劑在堿性溶液中表現出杰出的催化電解水產氫性能，在10 mA cm^-2處，僅具有26 mV的超低電勢，其Pt原子的質量活性高達20.6 A mg^-1，比商業Pt/C催化劑高41倍。本研究對原子尺度上調控金屬單原子電子結構和催化活性具有重要的指導意義。

該成果以“Platinum Single-Atom Catalyst Coupled with Transition Metal/metal Oxide Heterostructure for Accelerating Alkaline Hydrogen Evolution Reaction”為題，發表于國際頂級期刊《Nature Communications》（文章DOI: 10.1038/s41467-021-24079-8）。北京工業大學為該論文的唯一完成單位，周開嶺博士和王澤霖博士為該論文的共同第一作者，韓昌報教授、柯小行副教授和汪浩教授為共同通訊，王長昊講師、金玉紅講師、張倩倩教授、劉晶冰副教授和嚴輝教授為論文的合作者。該項研究工作獲得國家自然科學基金、北京市教育委員會科技發展項目、北京市科技新星計劃項目、北京市教育委員會、北京市高水平創新團隊建設項目、國家自然科學基金創新研究群體科學基金等項目的資助。

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