北化程道建教授团队Small：合金中应变效应诱导增强酸性析氢动力学用于质子交换膜电解水

第一作者：张慧敏

通讯作者：程道建*，曹东*

单位：塔里木大学，北京化工大学

近日，北京化工大学程道建教授团队在知名期刊Small上发表题为“Boosting Acidic Hydrogen Evolution Kinetics Induced by Weak Strain Effect in PdPt Alloy for Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers”的文章。该文章报道了构筑的不同壳层厚度的核壳PdPt合金具有不同程度的应变效应，两层Pt壳的PdPt₂L表现出约为4%的弱应变效应，而多层Pt壳的PdPtML表现出约为20%的强应变效应。该工作证明了与强应变效应相比，弱应变效应诱导的PdPt₂L电催化剂具有优异的HER性能。原位测试技术表明，PdPt₂L表现出更低的表观活化能，具有更快的吸附/脱附动力学。

通过外延生长法调控出了壳层厚度分别为两层Pt和多层Pt的PdPt合金催化剂，进一步证明了PdPt₂L和PdPtML分别表现出约为4%和20%的应变效应。

XRD峰的偏移证实了合金中晶格应变的存在。XPS结果分析表明PdPt₂L中Pd和Pt具有更强的电子相互作用。同时同步辐射XAS对样品中Pt的配位环境进行了详细分析，并表明了PdPt₂L中Pt相比于PdPtML具有更高的氧化态和更低的电子密度。

在酸性条件下对样品进行了析氢性能评估。具有弱应变效应的PdPt₂L在HER中达到10 mA cm^-2仅需要18 mV，优于PdPtML的43 mV。并在110 mA cm^-2表现出510小时的长时间稳定性。PdPt₂L的TOF值分别是PdPtML和商业Pt/C催化剂的6.2和24.5倍。

PdPt₂L||IrO₂在质子交换膜水电解槽中表现出优于Pt/C||IrO₂和PdPtML||IrO₂的性能，并且在500 mA cm²的电流密度下稳定操作100小时。原位测试技术表明，弱应变效应的PdPt₂L表现出更低的表观活化能，具有更快的吸附和脱附动力学。DFT计算揭示了无应变效应的Pt表现出更强的H*吸附能，不利于HER的进行。与PdPtML相比，PdPt₂L表现出更接近于热中性的H*吸附能，利于H*的脱附，证实了弱应变效应的优势，

H. Zhang, K. Chi, L. Qiao, P. Gao, Z. Li, X. Guo, Z. Li, D. Cao, D. Cheng, Boosting Acidic Hydrogen Evolution Kinetics Induced by Weak Strain Effect in PdPt Alloy for Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers. Small 2024, 2406935.

程道建，教授，北京化工大学，国家优秀青年基金获得者，英国皇家化学会会士，北京化工大学化学工程学院院长。主要从事化工领域金属合金纳米催化剂的理论设计、实验验证和应用研究。近年来在Nat. Catal., Nat. Energy, Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Proc. Natl. Acad. Sci., ACS Catal., Adv. Energy Mater.等国际主流期刊发表SCI论文200余篇，入选爱思唯尔2020-2023年中国高被引学者。以第一完成人的成果获中国化工学会基础研究成果奖一等奖等奖励4项，个人获评2022年度“青山科技奖”，中国化工学会侯德榜化工科学技术创新奖（2022年）和中国石油和化学工业联合会青年科学技术突出贡献奖（2022年）。兼任“十四五”国家重点研发计划“氢能技术”重点专项总体专家组成员、中国化工学会稀土催化与过程专委会副主任委员等。任SCI期刊Mol. Sim.和J. Exp. Nanosci.亚洲区域主编、国内核心期刊《化工进展》编委。

曹东，北京化工大学化工学院副教授，硕士研究生导师，主要从事电催化与精细化工领域中金属催化剂的精准构建及应用研究，获北京市科协青年人才托举工程、北京化工大学“博学”青年学者计划。目前已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B: Environ., ACS Catal.等高水平期刊发表SCI 论文40多篇。受邀担任Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Nano Mater.等SCI期刊审稿人，曾获中国节能协会2022制氢科技进步奖等奖励。