Nat.Commun:鉑/富勒烯界面鉑位點的多樣性加速堿性析氫

一、【導讀】

? ?近年來，由于在堿性電解質中高效、豐富的陽極催化劑的快速發展，陰離子交換膜（AEM）基水電解槽引起了廣泛的研究。然而堿性交換膜的耐久性和離子電導率不盡如人意，阻礙了AEM的實際應用。盡管如此，在膜技術突破之前，開發高活性的堿性析氫反應（HER）電催化材料也是目前的當務之急。商業鉑/碳（Pt/C）因其過電位低、動力學快等優點，被廣泛認為是HER的最佳電催化劑。不幸的是，當pH從酸性變為堿性時，催化活性會降低幾個數量級。目前，提高Pt催化性能的策略主要是Pt和過渡金屬合金化、氧親和性較強的材料修飾Pt以及調節Pt在碳基材料上的價態和化學環境等。最終發現金屬-載體相互作用是修飾活性位點的電子結構從而增強HER活性最有效的方法。盡管這些策略在加速Pt的堿性HER方面顯示了出色的前景，但提高 Pt 的本征活性仍然是一個普遍的挑戰。

二、【成果掠影】

? ?近日，新加坡國立大學汪磊（Lei Wang）、Sergey M. Kozlov、浙江大學孫文平（Wenping Sun）等報道將Pt簇錨定在二維富勒烯納米片上（PtC₆₀），顯著的提高Pt的堿性HER催化本征活性，比商業Pt/C催化劑提高了12倍。相關的研究成果以“Diversity of platinum-sites at platinum/fullerene interface accelerates alkaline hydrogen evolution”為題發表在Nature Communications上。

三、【核心創新點】

? ?1、作者開發了一種簡便的方法來合成二維C₆₀納米片，并將Pt錨定在二維C₆₀納米片上，成功構建了C₆₀?/Pt異質結構。

? ?2、這項工作發現在PtC₆₀的不同界面上明顯地出現電荷再分布現象。并且詳細的動力學和計算研究揭示了增強活性的起源是鉑/富勒烯界面處鉑位點對HER過程中間體的泛結合能特性，這為堿性HER中的所有基本步驟產生了高活性位點，多步驟協同提升HER性能。

四、【數據概覽】

圖1 PtC₆₀催化劑的合成與表征：（a） PtC₆₀的合成路線示意圖。（b） PtC₆₀的TEM圖。（c）b?中區域c'的相應FFT。（d）?b?中區域d'相應的逆-FFT?。（e）PtC₆₀的AFM圖像。（f）?b中區域f'的高分辨率TEM圖。（g） PtC₆₀的 STEM-EDS映射圖。 ?2023 The Author(s)

圖2 PtC₆₀的電子結構表征和分析：（a）PtC₆₀和 Pt NC的高分辨率 Pt?4?f ?XPS光譜。（b、c） 不同Pt負載量的PtC₆₀薄膜在同一真空室內的全真空 XPS 和 UPS 光譜。（d）Pt?4f?7/2的結合能和功函數取決于沉積在對應于（b和c）的C₆₀膜上的Pt負載量。（e）PtC₆₀、Pt NC、Pt箔和 PtO₂的 Pt??L₃-edge?的歸一化 XANES 光譜。（f）PtC₆₀、Pt NC、Pt箔和 PtO₂的EXAFS 光譜。（g）平均氧化態，以及通過e?中的 XANES 光譜擬合的d 帶空穴數。（h?,?i）分別用于 PtC₆₀和 Pt NC 的k³-weighted EXAFS 光譜的小波變換。?2023 The Author(s)

圖3 堿性HER性能：（a）負載量為 0.4 mg cm?^-2的PtC₆₀, Pt/C，Pt NC和純C₆₀催化劑的 LSV。(b)? a中催化劑在 10、50、150 mA cm^-2電流密度下的過電勢。(c)低負載量（0.004 mg cm^-2）的LSV。(d)催化劑負載量為0.004 mg cm^-2的催化劑的TOF?。(e)從?c?中的 LSV 獲得的相應Tafel圖。(f)催化劑在-40 mV (RHE) 下的 EIS圖。?2023 The Author(s)

圖4 理論分析：（a）所采用的 Pt/C₆₀模型。（b）Pt和C₆₀之間的相互作用導致的電子密度差異。（c）H（頂部）、OH（中間）和 H₂O（底部）在無支撐 Pt NC 上結合吉布斯自由能的分布。（d）不同堿性HER反應步驟對Pt/C₆₀ (011)和Pt/石墨烯反應速率常數，相對于通過活化能估計的無負載Pt NCs。（e）由微動力學模型計算的負載 Pt/C₆₀、Pt/石墨烯和未支持的 Pt NCs 的 LSV。（f）?Pt/C₆₀上反應步驟圖。?2023 The Author(s)

圖5 AEM電解槽的性能：（a）使用 PtC₆₀?|?|IrO₂?, PtC |?|IrO₂和Pt NCs |?|IrO₂的AEM電解槽的LSV。??（b）電流密度為1 A cm^?–2時的電池電壓和相應的能量效率。（c）?AEM電解槽在1 A cm^?–2電流密度下的耐久性測試。?2023 The Author(s)

五、【成果啟示】

? 綜上所述，作者合理開發了二維 C₆₀納米片，并將Pt 納米團簇錨定在納米片之上。C₆₀和Pt之間形成了對堿性 HER 具有高活性的異質結構。此外，PtC₆₀在膜基AEM電解槽中展現出高活性，表現出高達74%的高能量效率和穩定性，使其成為實用 AEM電解的有前途陰極材料候選者之一。另外，作者提出引入具有關鍵反應中間體不同結合能的異質界面的設計策略可以廣泛應用于依賴高性能電催化的其他能源發展。

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原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37404-0

本文由K . L撰稿。