陕师大Chemical Science：聚乙胺功能化的铂纳米超结构: 形态和界面调控提高析氢反应性能

【引言】

当今“氢经济”社会，电解水制氢是目前重要的制氢技术之一。高效、稳定的电催化剂是提高析氢反应(HER, 2H⁺+2e⁻→ H₂)效率的关键。目前，尺寸控制、形貌调控和设计金属-有机界面是提高贵金属电催化性能的三大策略。

【成果简介】

近日，陕西师范大学材料科学与工程学院陈煜教授课题组和南洋理工大学Jong-Min Lee副教授合作，在聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中用水合肼还原Pt^II前驱体成功制得PEI功能化的Pt纳米超结构(Pt-SSs@PEI)。各种物理表征指出PEI在合成过程中有效充当络合剂、稳定剂、形态导向剂和表面功能化试剂。PEI自身的三维分支结构导致高度分支的三维Pt纳米超结构形成，独特的高度分支三维结构不仅提高贵金属Pt的利用率，而且显著增强电催化剂的稳定性。电化学测试显示Pt-SSs@PEI在酸性介质中对HER显示出超高电催化活性，HER起始还原电位高达+ 64.6 mV vs. RHE，远高于理论析氢反应的Nernst值(0 mV vs. RHE)。Pt-SSs@PEI表面的PEI吸附层在酸性介质中导致−NH₂质子化，使得电极/溶液界面局部H+浓度高于电解质溶液中本体H⁺浓度。独特的界面质子富集导致高的HER起始还原电位。

这项工作日前以 “Polyethyleneimine functionalized platinum superstructures: Enhancing hydrogen evolution performance by morphological and interfacial control”为题在线发表于英国皇家化学学会旗舰期刊Chemical Science。该工作同时被英国皇家化学学会官网资讯平台 Chemistry World推送，Chemical Science出版编辑Suzanne Howson对此项工作做出高度评价“Researchers in China and Singapore have designed a new platinum electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction that outperforms existing catalysts and also performs better than theoretical calculations suggest it should.”。瑞士苏黎世大学的水分解专家David Tilley对此项工作应用前景做出高度评价“This proton enrichment at the platinum surface could have practical implications in a water splitting system through stabilisation on the water oxidation side, since the anode would require less strongly acidic conditions.”

论文第一作者为陕西师范大学2017级博士研究生徐广蕊同学(硕博连读)，该同学目前以第一作者在ACS Catalysis，Chemical Science，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces，Journal of Power Sources能源/材料期刊发表SCI一区论文7篇(累计影响因子59)，获授权国家发明专利1项。论文通讯作者为新加坡南洋理工大学Jong-Min Lee副教授和陕西师范大学材料科学与工程学院先进能源转化材料与器件创新团队成员陈煜教授。

【图文导读】

图 1. Pt-SSs@PEI的形态学和结构表征

图 2. Pt-SSs@PEI的表面物理/化学性质

图 3. 对HER的电催化活性

图 4. Pt-SSs@PEI的自身稳定性和催化稳定性

【致谢】

上述研究得到了陕西省大分子科学重点实验室、应用表面与胶体化学教育部重点实验室、陕西省能源新技术工程实验室、国家自然科学基金(21473111)和中央高校基本科研业务费(GK201602002和2017TS049)等科研项目的支持。

陈煜教授简介

陈煜 博士、教授、博士生导师，2009年于南京大学获得博士学位，现为陕西师范大学材料科学与工程学院教授。目前主要从事结构功能纳米材料的设计合成及其在化学/电化学能量转换技术方面的工作。具体研究内容涉及(i) 高性能低温燃料电池阴/阳极贵金属纳米晶电催化剂的设计合成。(ii) 高分子聚合物-贵金属纳米晶有机-无机复合材料的界面结构-催化活性相互关系研究。(iii)原子厚超薄二维过渡金属/贵金属纳米材料的设计合成及其在水电解池、氮气电化学还原和化学产氢领域中的应用。近年主持国家自然科学基金、省自然科学基金、中央高校基金等科研项目9项，获授权中国发明专利9项。迄今发表SCI论文120余篇，作为通讯作者在Nano Energy, NPG Asia Materials, Chemical Science, ACS Catalysis, Small, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces, Chemistry–A European Journal, Nano Research, Nanoscale等能源/材料期刊发表SCI论文80余篇。论文被Chemical Reviews, Chemical Society Reviews等期刊正面引用评价3100余次, 论文H-index为35。其中，单篇引用超过50次的20篇，10篇论文被评为全球ESI高被引(1%)论文。

论文链接：Polyethyleneimine functionalized platinum superstructures: enhancing hydrogen evolution performance by morphological and interfacial control (Chemical Science, 2017, DOI:10.1039/C7SC04109H)

本文由陕西师范大学陈煜教授课题组提供。

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