Nat.Commun:铂/富勒烯界面铂位点的多样性加速碱性析氢

K.L 11个月前 (04-16) 1575浏览

一、【导读】

近年来，由于在碱性电解质中高效、丰富的阳极催化剂的快速发展，阴离子交换膜（AEM）基水电解槽引起了广泛的研究。然而碱性交换膜的耐久性和离子电导率不尽如人意，阻碍了AEM的实际应用。尽管如此，在膜技术突破之前，开发高活性的碱性析氢反应（HER）电催化材料也是目前的当务之急。商业铂/碳（Pt/C）因其过电位低、动力学快等优点，被广泛认为是HER的最佳电催化剂。不幸的是，当pH从酸性变为碱性时，催化活性会降低几个数量级。目前，提高Pt催化性能的策略主要是Pt和过渡金属合金化、氧亲和性较强的材料修饰Pt以及调节Pt在碳基材料上的价态和化学环境等。最终发现金属-载体相互作用是修饰活性位点的电子结构从而增强HER活性最有效的方法。尽管这些策略在加速Pt的碱性HER方面显示了出色的前景，但提高 Pt 的本征活性仍然是一个普遍的挑战。

二、【成果掠影】

近日，新加坡国立大学汪磊（Lei Wang）、Sergey M. Kozlov、浙江大学孙文平（Wenping Sun）等报道将Pt簇锚定在二维富勒烯纳米片上（PtC60），显著的提高Pt的碱性HER催化本征活性，比商业Pt/C催化剂提高了12倍。相关的研究成果以“Diversity of platinum-sites at platinum/fullerene interface accelerates alkaline hydrogen evolution”为题发表在Nature Communications上。

三、【核心创新点】

1、作者开发了一种简便的方法来合成二维C60纳米片，并将Pt锚定在二维C60纳米片上，成功构建了C60/Pt异质结构。

2、这项工作发现在PtC60的不同界面上明显地出现电荷再分布现象。并且详细的动力学和计算研究揭示了增强活性的起源是铂/富勒烯界面处铂位点对HER过程中间体的泛结合能特性，这为碱性HER中的所有基本步骤产生了高活性位点，多步骤协同提升HER性能。

四、【数据概览】

图1PtC60催化剂的合成与表征：（a） PtC60的合成路线示意图。（b） PtC60的TEM图。（c）b 中区域c'的相应FFT。（d） b 中区域d'相应的逆-FFT 。（e）PtC60的AFM图像。（f） b中区域f'的高分辨率TEM图。（g） PtC60的 STEM-EDS映射图。 ©2023 The Author(s)

图2PtC60的电子结构表征和分析：（a）PtC60和 Pt NC的高分辨率 Pt 4 f XPS光谱。（b、c） 不同Pt负载量的PtC60薄膜在同一真空室内的全真空 XPS 和 UPS 光谱。（d）Pt 4f 7/2的结合能和功函数取决于沉积在对应于（b和c）的C60膜上的Pt负载量。（e）PtC60、Pt NC、Pt箔和 PtO2的 PtL3-edge 的归一化 XANES 光谱。（f）PtC60、Pt NC、Pt箔和 PtO2的EXAFS 光谱。（g）平均氧化态，以及通过e 中的 XANES 光谱拟合的d 带空穴数。（h , i）分别用于 PtC60和 Pt NC 的k3-weighted EXAFS 光谱的小波变换。©2023 The Author(s)

图3碱性HER性能：（a）负载量为 0.4 mg cm-2的PtC60, Pt/C，Pt NC和纯C60催化剂的 LSV。(b) a中催化剂在 10、50、150 mA cm-2电流密度下的过电势。(c)低负载量（0.004 mg cm-2）的LSV。(d)催化剂负载量为0.004 mg cm-2的催化剂的TOF 。(e)从 c 中的 LSV 获得的相应Tafel图。(f)催化剂在-40 mV (RHE) 下的 EIS图。©2023 The Author(s)

图4理论分析：（a）所采用的 Pt/C60模型。（b）Pt和C60之间的相互作用导致的电子密度差异。（c）H（顶部）、OH（中间）和 H2O（底部）在无支撑 Pt NC 上结合吉布斯自由能的分布。（d）不同碱性HER反应步骤对Pt/C60(011)和Pt/石墨烯反应速率常数，相对于通过活化能估计的无负载Pt NCs。（e）由微动力学模型计算的负载 Pt/C60、Pt/石墨烯和未支持的 Pt NCs 的 LSV。（f） Pt/C60上反应步骤图。©2023 The Author(s)

图5 AEM电解槽的性能：（a）使用 PtC60 | |IrO2, PtC | |IrO2和Pt NCs | |IrO2的AEM电解槽的LSV。（b）电流密度为1 A cm–2时的电池电压和相应的能量效率。（c） AEM电解槽在1 A cm–2电流密度下的耐久性测试。©2023 The Author(s)

五、【成果启示】

综上所述，作者合理开发了二维 C60纳米片，并将Pt 纳米团簇锚定在纳米片之上。C60和Pt之间形成了对碱性 HER 具有高活性的异质结构。此外，PtC60在膜基AEM电解槽中展现出高活性，表现出高达74%的高能量效率和稳定性，使其成为实用 AEM电解的有前途阴极材料候选者之一。另外，作者提出引入具有关键反应中间体不同结合能的异质界面的设计策略可以广泛应用于依赖高性能电催化的其他能源发展。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37404-0

本文由K . L撰稿。

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