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文 章 信 息
第一作者：邓兵，吴振禹
通讯作者：邓兵，Haotian Wang, Yufeng Zhao，James M. Tour
通讯单位：清华大学，莱斯大学，科尔班大学
台湾碳能CeTech【W0S1011生碳布&W0S1011H亲水碳布】性能可靠 正品保证 科研必备！
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论 文 简 介
无定形材料因其丰富的活性位点与独特的电子构型，在清洁能源的高效催化领域展现出超越晶态材料的潜力。然而受限于苛刻的形成条件，其合成与组分优化研究仍存在巨大空白。清华大学邓兵课题组与美国莱斯大学Haotian Wang课题组、James M. Tour课题组和美国科尔班大学Yufeng Zhao课题组合作，通过闪速焦耳加热技术，在毫秒时间内成功制备出铂-镍-磷（PtNiP）三元无定形纳米颗粒——该方法的超快冷却特性使金属前驱体实现玻璃化转变。经组分优化，Pt4Ni4P1无定形纳米颗粒的氢吸附吉布斯自由能达到近乎理想的0.02 eV，甚至优于铂金属催化剂。在酸性电解液中的电催化析氢反应中，该材料展现出卓越性能（η10 ∼ 14 mV，塔菲尔斜率 ∼ 18 mV dec–1，质量活性达商用Pt/C催化剂的5倍）。生命周期评估与技术经济分析表明，与现有工艺相比，该方法可显著降低电解槽催化剂实际生产过程中的温室气体排放、能耗及制造成本。
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图 文 信 息
图1. 闪速焦耳加热法合成PtNiP非晶纳米粒子。(a)三元Pt-Ni-P体系的计算冷却速率(RC)，虚线表示RC=104 K s-1。(b)闪速焦耳加热合成PtNiP的工艺示意图。(c)在100V电压下分别放电50、100和150毫秒时的脉冲电流曲线。(d)红外测温仪记录的实时温度曲线，插图为不同放电时间下的冷却速率。(e)不同闪速焦耳加热持续时间合成的PtNiP的XRD图谱，附铂标准卡片(PDF#65-2868)作为参照。(f)碳黑负载PtNiP非晶纳米粒子的明场透射电镜图像，插图为对应选区电子衍射图。(g)PtNiP非晶纳米粒子的高分辨透射电镜图像及快速傅里叶变换图(插图)。(h)PtNiP非晶纳米粒子的HAADF-STEM图像及相应元素分布图。
图2. PtNiP非晶纳米粒子的表征。(a) Pt元素的XPS精细谱。(b) Ni元素的XPS精细谱。(c) P元素的XPS精细谱。(d) PtO₂、Pt箔、PtNi晶态纳米粒子(PtNi CNPs)和PtNiP非晶纳米粒子的归一化XANES谱。(e) NiO、Ni箔、PtNi晶态纳米粒子和PtNiP非晶纳米粒子的归一化XANES谱。(f) PtNi晶态纳米粒子和PtNiP非晶纳米粒子在Pt L₃边的傅里叶变换EXAFS谱及拟合结果。(g) PtNi晶态纳米粒子和PtNiP非晶纳米粒子在Ni K边的傅里叶变换EXAFS谱及拟合结果。(h) 非晶PtNiP中所有原子的局部键取向序参数分布，红色虚线表示归一化键取向序参数为0.5的临界值，用于区分无序和有序结构。(i) 非晶PtNiP中Ni/Pt与P的配位数分布，Ni/Pt和P的平均配位数分别为11.5和8.7。
图3. PtNiP非晶纳米粒子在电催化析氢反应中的性能。(a) 不同磷摩尔比的PtNi晶态纳米粒子(PtNi CNPs)和PtNiP非晶纳米粒子的极化曲线。(b) 磷含量约10 at%的PtNiP非晶纳米粒子、PtNi晶态纳米粒子与商用Pt/C的极化曲线对比。(c) 由极化曲线得出的塔菲尔斜率图。(d) 本工作与近期报道的贵金属基HER催化剂的性能对比(10 mA cm⁻²过电位与塔菲尔斜率)，相关数据与参考文献见表S4。所有测试均在0.5 M H₂SO₄溶液中进行，采用三电极体系将电催化剂滴涂于玻碳电极上。(e) 按Pt质量负载量归一化的PtNiP非晶纳米粒子、PtNi晶态纳米粒子与商用Pt/C的极化曲线。(f) 在30 mV过电位(相对于RHE)下，基于Pt负载量归一化的PtNiP非晶纳米粒子、PtNi晶态纳米粒子与商用Pt/C的质量活性对比。(h) 与文献报道的转换频率(TOF)对比，具体数据见表S4。(i) PtNiP非晶纳米粒子、PtNi晶态纳米粒子与商用Pt/C在初始循环和10,000次CV循环后的极化曲线。
图4. 析氢反应性能的作用机制。(a) 分子动力学模拟的非晶态PtNiP结构及氢吸附构型（组分分别为Pt₄Ni₄P₁、Pt₂Ni₂P₁和Pt₁Ni₁P₁）。(b) 晶体Pt(111)、晶体PtNi(111)及不同组分非晶PtNiP在平衡电位下的氢吸附自由能图。(c) 晶体Pt(111)、晶体PtNi(111)及非晶PtNiP中活性Pt位点d轨道的态密度分布，图中标明了d带中心相对于费米能级(Ef)的位置。
图5. 实际应用、可持续性及技术经济分析。(a) 质子交换膜电解槽结构示意图。(b) 1 cm²质子交换膜电解槽测试台实物照片。(c) 质子交换膜电解槽的极化曲线。(d) 质子交换膜电解槽耐久性测试的电压-时间曲线。(e-f) 三种制备工艺的全球变暖潜势(e)与累积能源需求(f)对比：闪速焦耳加热法合成PtNiP非晶纳米粒子（FJH PtNiP ANPs）、热解法合成Pt晶态纳米粒子（Pyrolysis Pt CNPs）以及还原法合成Pt晶态纳米粒子（Reduction Pt CNPs）。(g) 雷达图综合比较三种工艺在气候变化、陆地酸化、人体毒性、水资源消耗及成本方面的表现。生命周期评估（LCA）与技术经济分析（TEA）的功能单元均为1克铂当量的PtNiP非晶纳米粒子。
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通 讯 作 者 简 介
邓兵，清华大学特别研究员，国家海外高层次青年人才项目入选者。作为负责人承担国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金重大研究计划培育项目、北京市自然科学基金非共识培育项目、清华大学-丰田专项基金项目、企事业委托项目等。以第一或通讯作者在Nat. Chem. Eng., Nat. Sustain., Nat. Rev. Clean Technol., Nat. Commun., Sci. Adv., JACS, Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano等发表论文20余篇，申请或授权专利四十余项。主要研究方向为开发基于电能的新型电气化方法用于战略关键金属回收和分离、固体废弃物资源化利用、功能材料制备及在环境和能源领域的应用等。
课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/deng_bing。
课题组长期招聘博士后和科研助理，欢迎感兴趣的同学联系：dengbing@tsinghua.edu.cn
Haotian Wang，莱斯大学副教授，斯隆奖得主（2021）。汪淏田副教授的课题组专注于发展新型电化学催化剂、电化学催化发生器，研究不同催化反应在能源、环境领域中的实际应用。他已在Science、Nature Catalysis、Nature Energy、Nature nanotechnology等顶尖杂志上发表论文多篇，被引超过40000次。
Yufeng Zhao，美国科尔班大学教授。赵玉峰教授主要研究方向为基于分子动力学模拟和DFT方法的无机纳米材料相变过程和电催化机理等方面的理论计算研究。
课题组主页：https://www.corban.edu/faculty/dr-yufeng-zhao/
James Tour，莱斯大学教授、美国工程院院士、美国发明家科学院院士。Tour教授发表学术论文800余篇，授权专利100余项，被引用超过14万次，谷歌学术H因子176。Tour教授在化学、材料和环境等研究领域做出了非常广泛的贡献，包括纳米电子、碳材料、纳米医学、分子机器、用于电池电催化和纳米材料制备、闪速焦耳热技术用于材料制备、环境污染修复等。
课题组网站：https://jmtour.com/
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论 文 信 息
Bing Deng#,*, Zhen-Yu Wu#, Erkang Feng, Lu Ma, Zhe Wang, Jinhang Chen, Lucas Eddy, Alexander Lathem, Teng Wang, Weiyin Chen, Yi Cheng, Shichen Xu, Qiming Liu, Boris I. Yakobson, Haotian Wang*, Yufeng Zhao*, and James M. Tour*, Coupling Amorphizaiton and Compositional Optimization of Ternary Metal Phosphides toward High-Performance Electrocatalytic Hydrogen Production, Journal of the American Chemical Society 2025, doi: 10.1021/jacs.5c00071.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00071
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