ACS Nano综述：基于Sabatier原则的Pt基合金催化剂在碱性HER中的具体优化策略

第一作者：高国梁

通讯作者：朱光*，孙自许*，Andreu Cabot*

单位：宿州学院，河南大学，西班牙加泰罗尼亚能源研究所

电解水为产氢提供了一种可持续方法。在碱性电解质中，质子的缺乏迫使在析氢反应之前需要先发生水解离，增加了额外的能耗。纯Pt材料是酸性电解质中的标杆电催化剂，由于Pt中的5d轨道几乎被完全占据，当它与水的分子轨道重叠时，会产生泡利排斥。因此，在碱性环境中很难形成Pt−H*键，这降低了HER的整体效率，并抵消了使用纯Pt催化剂的优势。为了克服这一限制，基于Sabatier原则，可以将Pt与过渡金属如Fe、Co和Ni合金化，改善HER的基元步骤。这种方法不仅具有提高催化性能的潜力，而且还起到了增加Pt分散和减少其使用量的作用，从而整体提高催化剂的成本效益。

今日，来自河南大学的孙自许教授与宿州学院的朱光教授以及西班牙加泰罗尼亚能源研究所的Andreu Cabot教授合作，在国际著名期刊ACS Nano上发表题为“Optimizing Pt-Based Alloy Electrocatalysts for Improved Hydrogen Evolution Performance in Alkaline Electrolytes: A Comprehensive Review”的综述文章。该综述回顾了近年来Pt基合金在碱性HER应用中的研究进展。重点介绍了Pt基合金的改性策略，并从实验和理论两方面阐明了催化剂的设计原理和催化机理。此外，文章还强调了在电催化发展中遇到的一些挑战和机遇。最后，为开发更高效的Pt基合金电催化剂提供了指导。

合金化的本质是改变催化剂的电子态和几何态，这是优化电催化性能最有前途的策略之一。随着电解制氢技术的快速发展，合金催化剂在电解水领域的应用逐年增加，具有突出的潜力和广阔的前景。在碱性介质中，Volmer反应和Heyrovsky反应都需要额外的水解离步骤来为后续反应的发生提供必要数量的质子，这大大增加了能耗。Sabatier原则指出，催化剂和反应物之间的相互作用不能太强也不能太弱。如果相互作用太强，反应物可能不可逆地占据活性位点并毒害它们，如果太弱，表面可能难以激活反应物。对于Pt基合金中，合金化促进了水解离步骤，优化了反应物及中间体的吸脱附，进而提高了整体碱性HER催化性能。

综述了改性Pt基合金的最新研究进展，从实验和理论的角度详细阐述了比较高效的催化剂改性策略，包括掺杂，构建异质结，表面修饰，相工程，应变工程等，并提取了研究工作中的描述符。在改性原理，结构表征等方面做了较为细致的解释。通过对以上工作的分析，我们可以发现，描述符作为催化剂的物理化学性质与其催化性能之间的桥梁，在解释修饰机理和预测催化性能方面具有重要意义。

对碱性HER机理的不断研究，为Pt基合金催化剂的设计提供了明确的理论指导。因此，制备了各种改性Pt基合金，并将其用作高活性HER电催化剂。为了进一步优化Pt基合金电催化剂，使其在碱性HER方面具有最大的性能，需要考虑以下因素：（1）如何进一步优化Pt合金催化剂在碱性HER活性、稳定性和成本之间的内在权衡，特别是工业化大电流密度条件下的稳定性。合适的电极结构是实现高稳定性和高电流密度的关键，如将催化剂喷涂/沉积在泡沫金属上。（2）催化活性位点的鉴定和表征。使用原位/工况表征技术是在原子水平上理解HER催化机理和开发优化电催化剂的基础。采用多谱学联用的方式可以实现对反应物/中间体/产物进行同时分析，可以更清楚地了解反应机理。（3）使用机器学习，高通量计算和组合筛选方法来进一步扩展描述符数量，提高描述符精度。

Optimizing Pt-Based Alloy Electrocatalysts for Improved Hydrogen Evolution Performance in Alkaline Electrolytes: A Comprehensive Review

朱光 教授简介：硕士生导师，自旋电子与纳米材料-安徽省重点实验室主任，安徽省“特支计划”创新领军人才，宿州学院学术委员会委员，安徽省高校拔尖人才，安徽省科研创新团队负责人。研究方向：新型功能材料合成与能源存储与转换器件，光增材3D制造技术领域的研究工作，主要聚焦于原位测试、特殊条件下（如低温、高温、高压等环境）测试和机理研究。近年来，以第一/通讯作者身份在Chem. Commun.、J. Mater. Chem. A、Nanoscale、ACS Appl. Mater. Interfaces等学术期刊发表研究论文50余篇。

孙自许 教授简介：目前担任河南大学特聘教授和硕士生导师。入选河南省百人计划，并获批国家自然科学基金青年基金1项。主要从事电化学储能材料与器件等方面的研究，集中在锂硫电池，包括液态、低温、全固态锂硫电池，以及部分电催化工作。具有扎实的相关领域的研究基础，并取得了较为突出的研究成果。迄今共发表SCI期刊论文66篇，其中以第一作者或通讯作者在Adv. Energy Mater.（2篇）、ACS Nano（3篇）、Adv. Funct. Mater.（3篇）、Energy Storage Mater.、Appl. Catal. B（2篇）和Carbon Energy（2篇）等国际学术期刊上发表SCI论文32篇。担任中科院一区期刊Carbon Energy和Rare Metals 青年编委。

高国梁 博士简介：2022年获华东师范大学博士学位，同年入职宿州学院，现为宿州学院机械与电子工程学院讲师。主要研究方向为电解水及小分子氧化催化材料。

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