第一作者：Yawen Chen
通訊作者：Jianguo Liu
通訊單位：Nanjing University
研究內(nèi)容：
單原子催化劑（SACs）可以實現(xiàn)貴金屬的最終原子利用，從而提高水分解的經(jīng)濟性。然而，SAC 中的活性位點通常不足。因此，我們建議使用富含缺陷的多孔 Co1NC 作為載體，在室溫下通過溫和的電化學還原制備 Pt1/Co1NC。Pt1/Co1NC 表現(xiàn)出創(chuàng)紀錄的高析氫反應 (HER) 活性，在 10 mA cm-2 的電流密度下過電位僅為 4.15 mV。其質(zhì)量活度在 20 mV 的過電位下達到 32.4 A mg-1Pt，是 Pt/C 的 54 倍。周轉(zhuǎn)頻率在 20 mV 時高達 32.86 s-1，在長期使用中具有出色的穩(wěn)定性。我們的策略表明，氮/碳缺陷對于錨定和形成單分散的 Pt 活性位點至關重要，同時防止聚集。正如理論模擬所證實的那樣，這些站點具有低能壘。因此，我們的方法為降低氫能成本提供了技術(shù)突破。
要點一：
在這項研究中，我們提出了一種在室溫下對富含缺陷的載體進行溫和電化學還原的方法，以制備具有原子分散 Pt 作為有效 HER 催化位點的優(yōu)異電催化劑。來自 Co 摻雜的 ZIF-8 的 Co1NC 被用作具有豐富孔隙和缺陷的有前途的載體，以有效地錨定 Pt 前體并形成原子分散的 Pt-N/C 位點。
要點二：
與 PtNP/NC 和商業(yè)產(chǎn)品 20 wt% Pt/C（其中 Pt 以納米顆粒形式存在）相比，Pt1/Co1NC 顯示出低至 4.15 mV 的過電位，以實現(xiàn) 10 mA cm-2 的電流密度。 其質(zhì)量活度高達 32.4 A mg-1Pt，是商業(yè) 20 wt% Pt/C 的 54 倍。同時，Pt1/Co1NC表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性。5000 次循環(huán)后，過電位下降僅為 0.54 mV。我們的策略結(jié)果表明，Pt 物種可以牢固地錨定在富含缺陷的碳載體 Co1NC 上，形成原子分散的 Pt-N/C 位點，而不是聚集體。此外，它們的 HER 催化活性和貴金屬利用率顯著優(yōu)于基于納米顆粒的傳統(tǒng)電催化劑，這進一步得到了 DFT 模擬的支持。因此，我們的方法可以顯著降低可再生電力制氫的成本，這對未來的氫社會是有利的。
圖 1. Pt1/Co1NC 的制備示意圖。
圖 2. (a, b) TEM 圖像、(c, d) HAADF-STEM 圖像和 (e, f) Pt1/Co1NC 的 EDX 映射。
圖 3. (a) Pt1/Co1NC 和參考的 Pt L3 邊緣 XANES 光譜；(b) Pt1/Co1NC 的傅里葉變換 Pt L3 邊緣 EXAFS 光譜，Pt 箔和 PtO2 供參考。 (c) Pt1/Co1NC 的小波變換 Pt L3 邊緣 EXAFS 光譜，其中 Pt 箔和 PtO2 供參考。 (d) Pt1/Co1NC 和 (e) PtNP/NC 的高分辨率 Pt 4f XPS 光譜。
圖 4.不同樣品的 (a) Co1NC、(b) NC、(c) Pt1/Co1NC、(d) PtNP/NC 和 (e) AreaD/AreaG 的拉曼光譜。
圖 5. (a) Co1NC、(b) NC、(c) Pt1/Co1NC 和 (d) PtNP/NC 的 XPS N 1s 光譜。
圖 6. (a) Co1NC、Pt1/Co1NC、PtNP/NC 和 20 wt% Pt/C 的極化曲線。(b) Co1NC、Pt1/Co1NC、PtNP/NC 和 20 wt% Pt/C 的過電位@10 mA cm-2和質(zhì)量活度@20 mV。(c) Pt1/Co1NC 與最近報道的單原子催化劑之間周轉(zhuǎn)頻率 (TOF) 值的比較。(d) Pt1/Co1NC 和 20 wt% Pt/C 在 5000 次 CV 循環(huán)前后的極化曲線。
圖 7. (a) 計算的各種活性位點的 HER 的 ΔGH* 值。(b) 各種活動站點的配置。(c) 沿碳配位數(shù)計算各種活性位點的 ΔGAnchoring。
參考文獻
Yawen Chen , Rui Ding , Jia Li , Jianguo Liu. Highly active atomically dispersed platinum-based electrocatalyst for hydrogen evolution reaction achieved by defect anchoring strategy. Applied Catalysis B: Environmental 301 (2022) 120830.
