济南大学刘宏/周伟家团队ACB：室温环境中激光构建Pt/Mo2C一体化电极用于质子交换膜电解槽水分解制氢

激光构建Pt锚定的Mo₂C微米柱作为气体扩散和催化析氢的一体化电极用于质子交换膜电解槽

第一作者：袁海凤、赵莉莉

通讯作者：刘宏教授、周伟家教授

单位：济南大学 前沿交叉科学研究院

要点一：室温环境中激光构建Pt/Mo₂C-L/Mo电极

首先，在CH₄气氛中，使用高功率的聚焦激光烧蚀钼金属片，制备了具有微米柱结构的Mo₂C-L/Mo。将Mo₂C-L/Mo作为基底吸附Pt⁴⁺后，在Ar/H₂气氛中使用低功率的欠焦激光还原Pt⁴⁺，最终得到Pt/Mo₂C-L/Mo电极。值得注意的是，在Pt/Mo₂C-L/Mo电极的整个制备过程中，玻璃实验装置保持室温状态，激光烧蚀产生的高温仅存在于激光的作用点上。因此，利用激光局域性高温的特点，在室温条件下制备了具有微米柱结构的Pt/Mo₂C-L/Mo电极。

要点二：形貌结构表征

从SEM图像和元素分布图可知，制备的Pt/Mo₂C-L/Mo电极具有微米柱结构，Pt元素在微米柱表面均匀分布。通过XRD、HRTEM、XPS证明了材料的组成。另外，凭借激光可扩展的优势制备了Pt/Mo₂C-L/Mo大尺寸电极，有利于其工业应用。

要点三：表面结构与特性

通过激光烧蚀Mo金属片的表面合成了Mo₂C-L/Mo。不同于原始的Mo金属片表面，制备的Mo₂C-L/Mo具有超亲水的表面特性，以其为基底可以有效地吸附Pt⁴⁺，有利于Pt的负载。另外，利用激光直写的特性实现了图案化Pt/Mo₂C-L/Mo电极的制备。

要点四：HER催化性能

图4. HER电催化性能

将Pt/Mo₂C-L/Mo电极和商用的20 wt. % Pt/C催化剂在相同条件下进行酸性HER的相关测试。Pt/Mo₂C-L/Mo电极在达到10 mA cm⁻²时过电位为21 mV，在1317 mA cm⁻²的大电流密度下运行100小时无明显衰减，而商用的20 wt. % Pt/C过电位为25 mV，在运行12小时后具有~62.9%的保持率。可以看出Pt/Mo₂C-L/Mo电极具有优异的HER催化性能和大电流测试稳定性。

要点五：构建质子交换膜电解槽及其全解水性能的表征

要点六：展望

1.通过两步激光过程制备了Pt/Mo₂C-L/Mo电极。归因于激光局域性高温的特点，实验合成装置保持在常温常压，而高温仅局限在激光作用点处。

2.Pt/Mo₂C-L/Mo电极具有优异的HER活性和大电流密度稳定性，这归因于Pt纳米颗粒和超亲水性Mo₂C-L基底之间的强结合作用。该电极在氢能领域具有广阔的应用前景。

3.利用激光的合成和加工的两种作用，构建了具有气体扩散和催化析氢的一体化电极。将其应用于质子交换膜电解槽(PEMWE)，简化了传统的PEMWE的结构。

4.这种集成电极的激光合成策略在电池、超级电容器和太阳能转换装置等广泛的研究领域是通用的。

Laser fabrication of Pt anchored Mo₂C micropillars as integrated gas diffusion and catalytic electrode for proton exchange membrane water electrolyzer

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121455

周伟家 教授 副院长 博导

济南大学前沿交叉科学研究院副院长，博士生导师，学术带头人。主要从事电催化和微纳器件研究，在电催化剂催化位点调控和全解水系统优化方面取得一系列研究成果，以第一或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表SCI收录论文100余篇，被他引11000余次，H因子54，中国百篇最具影响力国际学术论文1篇，ESI高被引用论文11篇；中国化学快报和SusMat期刊的青年编委；授权发明专利13项，转化2项。主持山东省自然科学杰出青年基金（2022），国家自然基金优秀青年基金（2021），山东省重大创新工程（2021），济南市自主培养创新团队（2021），国家自然基金面上项目（2020），山东省重点研发计划（2019），山东省泰山学者青年专家计划（2019），山东省优秀青年基金（2019）等国家省部级项目。2019年获得山东省自然科学一等奖（第三位）。

Email: ifc_zhouwj@ujn.edu.cn

网页：https://publons.com/researcher/1640871/weijia-zhou/

刘宏 教授 研究院院长 博导

济南大学前沿交叉科学研究院院长，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：生物传感材料与器件、纳米能源材料、组织工程与干细胞分化、光电功能材料等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004至今，在包括Adv.Mater., Nano Lett., ACS Nano, J. Am. Chem.Soc, Adv. Funct. Mater, EnergyEnviron. Sci.等学术期刊上发表SCI文章300余篇，其中，个人文章总被引次数超过25000次，H因子为74，30余篇文章被Web of Science的ESI(Essential Science Indicators)选为“过去十年高被引用论文”(Highly Cited Papers (last 10 years))，文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文，2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018至2021连续四年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。应邀在化学顶尖期刊ChemicalSociety Review和材料顶尖期刊Advanced Materials和 Advanced EnergyMaterials上发表综述性学术论文，在国际上产生重要影响。授权专利30余项，研究成果已经在相关产业得到应用。2019年获得山东省自然科学一等奖。

Email: hongliu@sdu.edu.cn

网页：https://publons.com/researcher/1598713/hong-liu/

袁海凤 在读博士

济南大学前沿交叉科学研究院在读博士生，导师为周伟家教授。研究方向为电催化水分解电催化剂和光热转换材料。目前在Applied Catalysis B: Environmental上一作发表文章2篇。发明专利3项。

赵莉莉 研究院讲师 硕导

济南大学前沿交叉科学研究院讲师，硕士生导师。主要从事电催化基础研究以及新能源的转换与利用（太阳能，环境热能等）研究等。主持国家自然科学基金1项和山东省自然科学基金1项。以第一作者或通讯作者在在Nano Energy、Applied Catalysis B: Environmental、Nanoscale、Solar RRL、Chemical Engineering Journal等期刊等发表SCI论文10余 篇，ESI高被引用论文1篇。发明专利5项。

济南大学前沿交叉科学研究院以刘宏教授为首席科学家，以学科交叉与学科融合为研究特色，以新型医药和现代能源核心技术为研发目标，在生物传感与再生医学、可再生能源转化高效利用和信息材料等相关领域开展基础和应用基础研究。形成了骨干成员30余名的高水平的交叉学科研究团队，团队成员的专业构成有材料学、化学、化工、能源、生物、物理微电子等，其中国家杰青、国家优青、泰山学者、山东省杰青、山东省优青等青年人才10余名。研究院已经建成了包括场发射扫描显微镜、XRD、共聚焦扫描显微镜、拉曼光谱仪等测试表征设备和各种沉积设备、材料制备设备及微加工设备等在内的高水平研究测试平台。新能源材料与传感器件团队以周伟家教授为带头人，利用微纳加工、激光合成和电化学三大技术，在能源与传感两大方向开展应用基础研究。

依托于济南大学前沿交叉科学研究院和“生物诊疗技术与装备协同创新中心”，组建“新能源材料与传感器件”研发团队，由教授3人、副教授2人，讲师4人，博士后1人，博士生6人，硕士生23人组成。团队利用微纳加工、激光合成和电化学三大技术，在能源与传感两大方向开展应用基础研究。能源方向专注于氢能源、碳循环和氮循环，利用激光等物理信号调制的催化反应和器件系统在新能源和环境领域的相关研究；传感方向专注于电化学和荧光结合微流控技术，通过材料设计与芯片构建，进行细菌和生物分子等快速高通量检测研究。