清华大学王定胜Adv. Mater.：单原子钨碳催化剂助力电化学析氢

【引言】

氢气被认为是极有前景的清洁能源之一，为了能够从水中有效地获取氢能源，电化学析氢反应（HER）是一个十分重要的途径。传统的铂基电析氢催化剂尽管表现十分优异，但其商业化过程受限于铂元素稀少的储量和高昂的价格。因此，设计开发具有高效析氢性能、原料储量丰富的替代催化剂成为必然。近年来，用于电化学析氢过程的过渡金属催化剂体系受到人们广泛的关注。在该类材料中，钨基催化剂(WC_x, WN_x, WP_x, WS_x等)因其独特的性能而吸引了研究者的目光，但使用其替代传统贵金属催化剂，仍存在一些瓶颈。

【成果简介】

近日，清华大学王定胜教授（通讯作者）在Advanced Materials期刊上发表了题为“Single Tungsten Atoms Supported on MOF-Derived N-Doped Carbon for Robust Electrochemical Hydrogen Evolution”的研究论文。在本文中，研究人员设计并合成了一种MOF衍生的氮掺杂碳材料负载单原子钨催化剂(W-SAC)，用于碱性条件下高效、稳定的电化学催化析氢过程。在10 mA/cm²的电流密度下，该催化剂的过电势可达85 mV，且Tafel斜率仅53 mV/dec，其在0.1M KOH电解质中的析氢性能可与商业化的Pt/C催化剂相媲美。通过球差校正透射电子显微镜（HAADF-STEM）和同步辐射X-射线吸收精细结构谱学（XAFS）等表征手段，研究人员证明了催化反应的活性位点是以W₁N₁C₃的形式存在于体系中。

【图文导读】

图1 催化剂合成示意图

图2 透射电镜及能谱表征

(A, B) 材料的TEM照片；

(C) 材料的EDS能谱图像；

(D) 材料的单原子HAADF像。

图3 X-射线吸收精细结构谱学表征

(A) W-L₃边XANES曲线；

(B) W-SAC在W L₃-边的k³-weight FT-EXAFS 曲线；

(C) W-SAC和标准品的WT-EXAFS伪彩图；

(D) W-SAC在W L₃-边的 k³-weight FT-EXAFS拟合曲线；

(E) W-SAC中单原子W的模型。

图4 0.1 M KOH下催化剂的电催化性能表征

(A) W-SAC的HER极化曲线(5 mV/s)；

(B) W-SAC , WC, WN, 20% Pt/C过电势对比 ；

(C) Tafel斜率对比；

(D) Nyquist 图对比；

(E) W-SAC TOF值；

(F) W-SAC催化稳定性测试。

图5 理论模拟和计算

(A) 氢气在W-SAC, WC, WN, N-doped graphene上吸附的吉布斯自由能(∆GH*)；

(B) W-SAC在平行于xy平面上的差分电荷密度(定义差分电荷密度为W原子掺杂与否的局部电子密度变化程度，红色和蓝色分别对应升高和降低；原子颜色：灰色：碳， 蓝色：氮， 酒红色：钨)。

【小结】

本文报道了一种用于碱性环境下催化电化学析氢的单原子钨催化剂，且该体系在酸碱电解质中均可表现出较高的催化活性和稳定性。同时，研究人员也揭示了催化体系中的钨单原子局部结构，并通过DFT理论计算等证明了W₁N₁C₃位点在催化过程中的重要性。研究人员通过发现和合成第一例钨单原子催化剂，为研究替代贵金属基的电析氢催化剂提供了更多选择和思路。

文献链接：Single Tungsten Atoms Supported on MOF-Derived N-Doped Carbon for Robust Electrochemical Hydrogen Evolution. (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201800396)

本文由材料人编辑部新人组陈明曦编辑，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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