北工大新能源所汪浩@韩昌报团队EES:单原子Pt修饰的Co(OH)2@Ag NWs用于高效HER

引言

氢气因其环保的反应过程和较高的能源密度成为了最具发展前景的能源载体之一。电解水析氢（HER）因具有产品纯度高、工业化成熟、无污染且原材料资源丰富等优点被认为是未来通向氢能源经济的最佳途径。而电解水技术发展的瓶颈是电解能耗较高，需要高效的催化剂来降低电化学反应过电位。在HER催化剂中，Pt具有较低的过电位和更高的电流密度。然而，高成本和稀缺性阻碍了其大规模的实际应用。单原子催化剂可以最大程度地提高金属原子利用率，通过少量的贵金属修饰来提高催化剂催化活性被认为是促进HER应用的有效途径。随着原子配位结构的变化，Pt单原子催化剂展现出可调控的HER反应活性。因此，对铂族元素局部原子配位环境的调控具有重要的意义，可以为调节催化剂的电子结构和几何结构提供新的途径，从而提高单原子催化剂的催化活性和反应选择性。

成果简介

近日，北京工业大学汪浩教授和韩昌报教授团队在单原子催化剂构筑及高效电催化产氢（HER）的应用研究中取得重要突破。该团队开创性地在高导电性的银纳米线网络系统中对单原子铂的电子结构进行有效调控，实现了催化活性的显著增强，制备出高性能的HER纳米复合材料（Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs）。其中，Ag NWs的引入为电催化产氢反应过程中电子传输提供了便捷的通道，有效降低了电子的界面转移电阻。多级的纳米结构暴露了更多的单原子活性位点，为催化反应提供了大的电化学表面积和传质通道、促进了氢的快速生成和释放。X射线吸收精细结构（XAFS）研究和密度泛函理论（DFT）计算表明，Pt原子与Co(OH)₂中的O成键形成Pt-O配位结构，在Pt原子顶端形成电荷富集的局部电场。这种电场特征导致了H*自由能更适中。该体系中，Pt的引入提升了整个催化剂体系在费米能级处的d电子密度，进一步促进了H₂O的吸附。基于以上特征， Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs催化剂在碱性溶液中表现出杰出的HER活性，在10 mA cm^-2处，仅具有29 mV的超电势，其质量活性比商业Pt/C催化剂高22.5倍。本研究结果对原子尺度上合理设计和调控金属单原子催化剂具有重要的指导意义。该成果以“Seamlessly Conductive Co(OH)₂ Tailored Atomically Dispersed Pt Electrocatalyst in Hierarchical Nanostructure for Efficient Hydrogen Evolution reaction”为题，发表于国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》（IF：30.289）（文章DOI: 10.1039/D0EE01347A）。北京工业大学为该论文的唯一完成单位，博士周开岭为该论文的第一作者，韩昌报教授和王长昊讲师为共同通讯、博士王泽霖、张倩倩教授、柯小行教授、刘晶冰副教授和汪浩教授为论文合作者。该项研究工作获得国家自然科学基金、北京市科技新星计划项目、北京市自然科学基金项目等项目的资助。

图文导读

图1. Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs催化剂合成示意图

图2. Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs催化剂结构表征.

图3. Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs催化剂的原子结构分析。

图4. Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs催化剂HER性能测试。

图5. Pt_SA-Co(OH)₂@Ag NWs的HER催化机理探究。

总结和展望

综上所述，本研究从催化剂纳米结构设计和本征活性增强两个方面同时入手，通过在一维的Ag NWs上构筑高活性单原子Pt修饰的Co(OH)₂纳米片复合结构催化。通过Pt-Co(OH)₂相互作用，在催化剂表面成了更利于*H吸附自由能的电子结构，为理解单原子本征催化活性提供了有效的途径。此外，整个制备过程在常温常压下进行，仅涉及电化学反应过程，为贵金属及非贵金属单原子催化剂的制备和发展提供了思路。

课题组简介

北京工业大学新能源材料与技术研究所在严辉教授、王如志教授及汪浩教授带领下，长期从事纳米&半导体能源材料与器件的集成及智能化技术应用研究，在国际顶级期刊如Energy & Environment Science、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy、Chemical Reviews等发表学术论文800余篇，出版学术专著10余部，授权发明专利200余项，实现重大科技成果转化10余项，主持国家重点基金、自然科学基金、北京市重点基金及军工项目等50余项。

本文由作者团队供稿。