曹荣研究员、曹敏纳研究员，Nano Research：铂纳米枝晶的表面合金化助力其高效稳定HER- 大数跨境

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曹荣研究员、曹敏纳研究员，Nano Research：铂纳米枝晶的表面合金化助力其高效稳定HER

科学材料站

2024-02-09

导读：曹荣研究员、曹敏纳研究员，Nano Research：铂纳米枝晶的表面合金化助力其高效稳定HER

文章信息

铂纳米枝晶的表面合金化助力其高效稳定HER

第一作者：刘畅

通讯作者：曹荣*，曹敏纳*

单位：中国科学院福建物质结构研究所

研究背景

利用可再生能源电解水是一种高效、可持续的制氢方法。其中，质子交换膜水电解槽（PEMWE）是最有前途的高纯度制氢技术。但是由于强酸性的工作环境容易造成阴极析氢电催化剂的腐蚀、团聚和损失。目前，铂基催化剂被认为是酸性条件下氢析出反应（HER）的最佳选择。它具有氢键能适中、过电位低和动力学速度快等优点。然而，昂贵的成本和耐久性差的问题阻碍了其在PEMWE中广泛的商业应用。因此，提高铂基材料在HER中的本征催化能力和耐久性成为当务之急。

文章简介

基于此，来自中国科学院福建物质结构研究所的曹荣研究员和曹敏纳研究员，在国际知名期刊Nano Research上发表题为“Pt nanodendrites with a PtIr alloy surface structure exhibit excellent stability toward acidic hydrogen evolution reaction”的研究文章。

该研究通过两步湿化学法设计合成了一种具有表面合金化结构的铂纳米枝晶（Pt NDs）,并将其应用于酸性HER。这种表面富集铱的铂纳米枝晶（Pt@PtIr NDs）具有极低的HER过电位（22mV),并且其活性在保持168小时后仍未见明显衰减，显示出优异的电化学稳定性。这种开放式三维树枝状结构可以暴露出尽可能多的活性位点。此外，通过在材料表面将铱与铂合金化，可以进一步提高其催化活性，同时确保了极高的稳定性。合金效应会对催化活性位点产生电子调节作用，铂和铱间的电子转移导致铂处于电子富集状态，从而有效地阻碍了铂在HER过程中的氧化。这项工作为合理设计和制备在酸性条件下具有高效催化性能的铂基电催化剂提供了一种很有前景的有效策略。

图1. 镀有 PtIr 合金外壳的枝状铂纳米材料具有优异的酸性氢析出反应（HER）活性和长期稳定性

本文要点

要点一：材料制备

本工作通过晶种介导法向Pt NDs中引入铱金属，成功合成了Pt@PtIr NDs催化剂。通过透射电子显微镜（TEM）测定：合成产物Pt@PtIr NDs具有三维枝状形貌，从高角度环形暗场扫描TEM（HAADF-STEM）和对应EDX映射以及EDX线扫图中显示出铱元素在Pt NDs表面的富集。此外，Pt@PtIr NDs的高分辨TEM（HRTEM）和X射线衍射图（XRD）表明催化剂表面PtIr合金结构的成功形成。

图2. Pt@PtIr NDs的（a）TEM,（b）HAADF-STEM图像和对应EDX映射，其中Pt（蓝）、Ir（黄）， (c）EDX线扫,（d）HRTEM及快速傅里叶变换（插图）。（e）Pt@PtIr NDs和Pt NDs的XRD谱图。

要点二：电子结构调控

X射线光电子能谱（XPS）表征了Pt@PtIr NDs的价态，并且在Pt@PtIr NDs与商业催化剂的高分辨XPS谱图中，Pt 4f峰和Ir 4f峰的偏移表明了Ir到Pt的电子转移。

图3.（a）Pt@PtIr NDs和商业Pt/C的高分辨XPS光谱Pt 4f图，（b）Pt@PtIr NDs和商业Ir/C的高分辨XPS光谱Ir 4f图

要点三：优异的酸性HER性能

Pt@PtIr NDs在电流密度为10mA/cm²时的过电位仅为22mV,低于20wt.%商业Pt/C(31mV),同时在40mV的过电位下具有最高的质量活性。此外，Pt@PtIr NDs具有最小的电化学阻抗，并且表现出优异的HER稳定性，性能大幅度优于商业催化剂。

图4. Pt@PtIr NDs、Pt NDs和商业对比样的（a）LSV曲线,（b）过电位，(c）40mV过电位时的质量活性, （d）Nyquist图，（e）10mA/cm²下的耐久度测试，（f）稳定性测试。

文章链接

Pt nanodendrites with a PtIr alloy surface structure exhibit excellent stability toward acidic hydrogen evolution reaction

https://doi.org/10.1007/s12274-024-6454-3

通讯作者简介

曹敏纳研究员简介：2011年毕业于中国科学技术大学获得博士学位。2011年6月到2013年11月在中国科学院福建物质结构研究所从事博士后研究，随后留所工作。相关研究成果在国际期刊上发表了多篇学术论文，并获得多项专利授权。作为负责人主持了多项国家自然科学基金并参与了多项国家重点研究项目。主要研究方向：纳米材料开发及其在催化和能源领域的应用研究。ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3418-4229.

曹荣研究员简介：现任中国科学院福建物质结构研究所所长，学术委员会委员，中国科学技术大学、厦门大学及福州大学兼职博士生导师。担任《中国化学》、《结构化学》、《无机化学学报》及《晶体设计与生长》等期刊编委。1986年毕业于中国科学技术大学近代化学系，1989年获中国科学院福建物质结构研究所硕士学位，1993年获中国科学院福建物质结构研究所博士学位后分配在物构所工作，1994年7月晋升为副研究员，1998年2月晋升为研究员、11月获博士生导师资格。2003年获国家杰出青年基金，2004年获政府特殊津贴，2006年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选。主要研究领域为无机-有机杂化材料及超分子化学、纳米分子材料、有机-无机复合膜及介孔材料等。承担了国家重大研究计划（973）、国家杰出青年基金、国家自然科学基金重大项目、面上项目、青年项目、省自然科学基金重点项目、中国科学院重点项目等多项研究课题。

曾获中国青年科技奖（2006年）、中国化学会青年化学奖（1998年）、福建省青年科技奖（1998年）、运盛（福建）青年科技奖（2003年），作为主要完成者获国家自然科学奖二等奖一次（2002年，排名第三），中国科学院自然科学奖一等奖一次（2001年，排名第三）、二等奖一次（2000年，排名第二），发表SCI论文170多篇，论文被他人引用超过1600次。ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2398-399X.

第一作者简介

刘畅：中国科学院大学2021级硕士研究生