Small：氧缺陷调控优化Mn3O4 纳米片和Pt 金属纳米簇之间的强金属-支撑体（SMSI）相互作用提升酸性析氢反应

第一作者：胡东雄

通讯作者：蒋仲杰*

单位：华南理工大学

近年来，氢能的需求急剧上升，但氢主要以化合态的形式存在。因此，要实现氢气的大规模使用，必须采用人工制取的方法制取氢气。质子交换膜（PEM）电解水技术具有产氢效率高、氢气纯度高、无碱液、启动快、体积小及可实现更高的产气压力等优点, 是制氢的重要方法。开发高活性、高稳定性析氢催化剂，是实现PEM电解水高效产氢的关键。当前， PEM水电解池普遍采用Pt 基纳米材料作为析氢催化剂，这些催化剂存在着稳定性差和价格昂贵等问题，难以满足PEM电解水技术的大规模商业化应用。开发高活性、高稳定性、低成本酸性析氢催化剂对促进PEM电解水技术的大规模商业化具有重要意义。

近日，来自华南理工大学的蒋仲杰教授课题组，在国际知名期刊Small上发表题为“Strong Metal-Support Interaction Modulation between Pt Nanoclusters and Mn₃O₄Nanosheets through Oxygen Vacancy Control to Achieve High Activities for Acidic Hydrogen Evolution”的文章。该文章通过对Mn₃O₄纳米片氧缺陷的调控，优化了Mn₃O₄纳米片和Pt纳米簇之间的强金属-支撑体（SMSI）相互作用， 这一方面减少了催化剂中Pt的用量，另一方面提升了Pt纳米簇的催化活性和长效稳定性，所得富含氧缺陷Mn₃O₄纳米片支撑Pt纳米簇(Pt/V·-Mn₃O₄ NSs)铂质量活性提升12.4 倍。

氧缺陷可以影响Mn₃O₄和Pt 之间的SMSI相互作用。因此，通过Mn₃O₄纳米片氧缺陷含量的控制，可以调节Pt纳米簇的d带中性，从而优化氢原子在Pt基催化剂表面的吸附强度及其析氢催化活性。Mn₃O₄纳米片的氧缺陷含量，由合成Pt/V·-Mn₃O₄NSs的Mn₃O₄/Mn₂O₃复合物前躯体的合成温度调节。

在0.5 H₂SO₄溶液中，Pt/V·-Mn₃O₄NSs只需19 mV 的过电位就能获得10.0 mA cm^-2的电流密度， 明显高于商用Pt/C催化剂（10.0 mA cm^-2的过电位为30.3 mV）。Pt/V·-Mn₃O₄NSs的析氢质量活性是Pt/C催化剂的12.4倍，且高于已报道的单原子催化剂。Pt/V·-Mn₃O₄NSs具有优异的析氢稳定性。在0.5 H₂SO₄溶液中， 10.0和250 mA cm^-2电流密度下，Pt/V·-Mn₃O₄NSs连续工作200和60 小时以上，无明显性能下降。

以MnOx纳米片为起始材料，高温煅烧合成Mn₃O₄/Mn₂O₃复合物，再经在H₂PtCl₆存在下的乙二醇溶剂热反应，获得Pt/V·-Mn₃O₄NS。乙二醇既作为H2PtCl6和Mn3+的还原剂，又作为溶剂。其中，Pt/V·-Mn₃O₄NSs中Mn₃O₄纳米片的氧缺陷含量可以通过MnOx纳米片合成Mn₃O₄/Mn₂O₃复合物的煅烧温度控制。

Strong Metal-Support Interaction Modulation between Pt Nanoclusters and Mn₃O₄Nanosheets through Oxygen Vacancy Control to Achieve High Activities for Acidic Hydrogen Evolution

蒋仲杰教授简介：毕业于中国科学院理化技术研究所，曾在德国开姆尼兹工业大学（洪堡研究学者）和美国加州大学默塞德分校从事博士后研究工作。2013年加入华南理工大学，现为环境与能源学院教授。长期从事能源材料、催化、等离体子材料合成和性能优化等领域的研究和开发。以通讯作者身份在Advanced Materials, Advanced Energy materials, Nano letter, ACS Nano等学术刊物上发表论文100余篇，被引用>5000 余次，H因子>45。