单原子催化剂因其卓越的原子利用率和优异的电催化性能，成为制氢研究的热点。然而，如何优化单原子与基底间的相互作用以提升催化效率，一直是关键挑战。北京航空航天大学的研究团队通过创新性快速热冲击技术，在二维MXene材料上锚定单原子铂（Pt），取得了显著突破。
在氢气环境下实施快速热冲击，该团队首次在MXene（Ti₃C₂Tₓ）基底的氧空位（OV）上成功引入单原子铂（Pt），制备了Ti₃C₂Tₓ-PtSA催化剂。这种新型催化剂在氢析出反应（HER）中表现出优异性能，包括：
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低过电位：仅需38 mV即可达到10 mA·cm⁻²的电流密度。
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快速周转频率（TOF）：在100 mV过电位条件下达23.45 s⁻¹。
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优异的耐久性：经1000次循环测试和连续工作89小时后，性能无明显衰减。
理论计算揭示了这一性能的核心机制：单原子铂锚定在氧空位上，减弱了氢吸附的结合力及杂化强度，从而优化了氢的吸附与脱附过程，显著提升催化活性。
图1：催化剂制备与机制示意图
该图展示了Ti₃C₂Tₓ-PtSA的制备过程。研究采用快速热冲击技术，通过高温退火产生氧空位，利用Pt-Ti键牢固捕获Pt单原子。高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）和密度泛函理论（DFT）计算验证了单原子铂的成功锚定及其催化机制。
图2：结构与物理性质分析
X射线衍射（XRD）结果显示，快速热冲击处理后，Ti₃C₂Tₓ仍保持二维特性。X射线光电子能谱（XPS）证实Pt为正价，电子顺磁共振（EPR）光谱进一步确认了氧空位的存在。这些结果表明，单原子铂锚定未改变材料基本结构。
图3：形貌表征
扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和HAADF-STEM观察显示，Ti₃C₂Tₓ-PtSA保持了单层结构，且Pt单原子均匀分布在基底表面，进一步证明了快速热冲击方法的可靠性。
图4：电化学性能对比
线性扫描伏安曲线（LSV）显示，Ti₃C₂Tₓ-PtSA在0.5 M H₂SO₄中的HER活性优于其他催化剂，Tafel斜率为45 mV dec⁻¹，与商业Pt/C（32 mV dec⁻¹）接近。
图5：理论计算与性能解析
DFT计算表明，Ti₃C₂Tₓ-PtSA在氧空位上锚定的单原子铂提供了接近零吉布斯自由能（ΔG_H≈0），显著优化了氢吸附动力学。此外，投影态密度（PDOS）分析揭示了Pt-H结合的减弱，使得催化过程更高效。
本研究通过快速热冲击技术，实现了Ti₃C₂Tₓ氧空位上单原子铂的高效锚定，所制备的催化剂在氢析出反应中表现出优异的电催化性能。实验与理论相结合，深入揭示了其优异性能背后的内在机制，为单原子催化剂的设计提供了新思路。
在高效析氢技术的工业化应用中，催化剂的选择与设备的匹配至关重要。深圳中科精研生产的焦耳加热装置，凭借其精确的温控能力和快速热冲击功能，与本研究中使用的技术原理高度契合。
该装置能够在短时间内实现均匀高效的热处理，为二维材料的改性和单原子催化剂的制备提供理想的实验条件。此外，其模块化设计适合大规模生产需求，为催化剂的产业化应用提供了强有力的技术支持。
未来，深圳中科精研将致力于与科研机构合作，探索更多基于焦耳加热技术的材料制备方案，为氢能发展和绿色能源革命贡献力量。
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