清潔和可再生氫氣具有高能量密度和環(huán)保等的優(yōu)點(diǎn)受到人們廣泛關(guān)注。電化學(xué)水分解是生產(chǎn)綠色氫燃料的可持續(xù)的策略。在電解水過程中，貴金屬基催化劑，如鉑(Pt)，由于其適當(dāng)?shù)腍吸附(ΔGH*)，在析氫反應(yīng)(HER)中表現(xiàn)出巨大的前景，但貴金屬的稀缺性和高價(jià)格限制了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。100%原子利用率的單原子催化劑(SACs)為實(shí)現(xiàn)貴金屬的成本效益提供了一個(gè)有效的途徑。
此外，由于金屬相互作用強(qiáng)，使單金屬催化劑發(fā)生合金作用，可以改變其電子特性，優(yōu)化ΔGH*。因此，通過原子分散最大限度地提高Pt原子利用效率，以及通過固定在金屬基板上的單原子合金(SAAs)來提高催化活性，有可能實(shí)現(xiàn)高效催化電解水產(chǎn)氫。
基于此，濟(jì)南大學(xué)周偉家和山東大學(xué)宋克鵬等采用激光燒蝕策略，合成了Pt單原子錨定鉬箔作為單原子合金電極(Pt-SA/Mo-L)，并將其作為高效HER催化劑。具體而言，單原子合金的成功合成主要來自于激光的局部熱效應(yīng)、激光的快速上升冷卻速率和激光在溶液中產(chǎn)生的還原性H2氣體。
性能測試結(jié)果顯示，Pt單原子與Mo底物的強(qiáng)鍵合有利于Pt-SA/Mo-L電極的高效HER活性。在0.5 M H2SO4溶液中，該電極在10 mA cm?2電流密度下的過電位僅為31 mV，同時(shí)其在高電流密度下(~850 mA cm?2)能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行穩(wěn)定性50小時(shí)。
此外，研究人員采用低電位陽極氧化反應(yīng)(AOR)取代析氧反應(yīng)(OER)，以提高整體水分解性能。由于金屬M(fèi)o的AOR電位比OER要低得多，(?)Pt-SA/Mo-L||Mo-AOR(+)電解槽僅需0.598 V的電壓就能達(dá)到50 mA cm?2的電流密度，并且其能夠在1.2 V電池電壓下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行150小時(shí)，表明該電解槽具有實(shí)際應(yīng)用的潛力。
更重要的是，研究人員還利用激光燒蝕策略實(shí)現(xiàn)了其他貴金屬(Pt、Rh、Ir和Ru)在Mo箔上的單原子分布，證明該策略的普適性。因此，該項(xiàng)工作為制備貴金屬單原子催化劑以實(shí)現(xiàn)了超低電壓、無膜、高通量制氫提供了新策略。
Laser synthesis of PtMo single-atom alloy electrode for ultra-low voltage hydrogen generation. Advanced Materials, 2023. DOI: 10.1002/adma.202305375
