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(shí)現(xiàn)貴金屬的最終原子利用，從而提高水分解的經(jīng)濟(jì)性。然而，SAC 中的活性位點(diǎn)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(xué)還原制備 Pt1/Co1NC。Pt1/Co1NC 表現(xiàn)出創(chuàng)紀(jì)錄的高析氫反應(yīng) (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(dá)到 32.4 A mg-1Pt，是 Pt/C 的 54 倍。周轉(zhuǎn)頻率在 20 mV 時(shí)高達(dá) 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(diǎn)至關(guān)重要，同時(shí)防止聚集。正如理論模擬所證實(shí)的那樣，這些站點(diǎn)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(diǎn)一：
在這項(xiàng)研究中，我們提出了一種在室溫下對富含缺陷的載體進(jìn)行溫和電化學(xué)還原的方法，以制備具有原子分散 Pt 作為有效 HER 催化位點(diǎn)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(diǎn)。
要點(diǎn)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(shí)現(xiàn) 10 mA cm-2 的電流密度。 其質(zhì)量活度高達(dá) 32.4 A mg-1Pt，是商業(yè) 20 wt% Pt/C 的 54 倍。同時(shí)，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(diǎn)，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(jìn)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(huì)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(bào)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(jì)算的各種活性位點(diǎn)的 HER 的 ΔGH* 值。(b) 各種活動(dòng)站點(diǎn)的配置。(c) 沿碳配位數(shù)計(jì)算各種活性位點(diǎn)的 ΔGAnchoring。
參考文獻(xiàn)
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.
