氫燃料電池作為綠色高效的能源裝置，在實現(xiàn)碳中和方面具有很大的吸引力。由于對氫中間體具有最佳的吸附/解吸，因此Pt電催化劑在催化陽極氫氧化反應(yīng)(HOR)方面表現(xiàn)最佳的活性，極大地提高了這一點。
然而，在堿性HOR催化中，傳統(tǒng)的Pt/C電催化劑的大規(guī)模應(yīng)用受到催化效率極低(比在酸性介質(zhì)中下降兩個數(shù)量級)、Pt用量過高(比酸性介質(zhì)高10倍)以及耐久性差等問題的困擾。因此，設(shè)計低Pt用量、高耐久性的高性能Pt電催化劑對于推動堿性HOR的實際應(yīng)用至關(guān)重要。基于此，中國石油大學(xué)化學(xué)(華東)邢偉和青島科技大學(xué)袁勛等在介孔中空碳球基納米反應(yīng)器中，通過氣相填充和空間限制金屬還原的方法，插入高嗜氧性La、Ce、Pr、Nd和Lu單原子，合成了一系列超小的Ln1Pt納米粒子(Ln1Pt@HCS)，實現(xiàn)了在堿性介質(zhì)中的高HOR催化性能。性能測試實驗結(jié)果顯示，所制備的Ln1Pt@HCS催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的堿性HOR活性，La1Pt@HCS的半波電位為8.4 mVRHE、在25 mV下的質(zhì)量活性為2422.38 A g?1，以及具有20.08 mA cm?2的交換電流密度。同時，Ln1Pt@HCS也具有優(yōu)異的長期抗CO中毒能力，其在100 mV、CO雜質(zhì)濃度為1000 ppm時連續(xù)工作約1000秒后，仍保持高催化活性(電流保留率:~61%)。此外，研究人員對所有的Ln1Pt@HCS電催化劑進(jìn)行了極化測試，結(jié)果所有電催化劑都可以在起始電位低至0 V產(chǎn)生響應(yīng)電流，表明它們對于堿性HOR催化具有相似的活性。實驗結(jié)果和理論計算表明，稀土單原子嵌入Pt納米粒子可以產(chǎn)生明顯的電子調(diào)制效應(yīng)，提高OH?的吸附強度，并通過加速Volmer動力學(xué)獲得了良好的堿性HOR活性。并且，研究人員提出了由Pt配位的稀土單原子觸發(fā)的OH?誘導(dǎo)的堿性HOR催化吸附機理：引入的稀土單原子作為Lewis酸中心，促進(jìn)了OH?在堿性環(huán)境中的遷移，增加了Pt-Ln中心周圍的OH?濃度，從而提高了金屬Pt的氫氧化能力。綜上，該項工作提供了一個設(shè)計高性能Ln1Pt基NCs堿性HOR催化電催化劑的范例，展示了單原子和超小金屬NCs在提高催化活性方面的協(xié)同作用，有助于加深人們對Ln/Pt合金導(dǎo)向堿性HOR電催化的基本認(rèn)識。Embedding Oxophilic Rare-earth Single Atom in Platinum Nanoclusters for Efficient Hydrogen Electro-oxidation. Nature Communications, 2023. DOI:10.1038/s41467-023-39475-5
