陕西师范大学翟全国教授团队Small：利用原位锚定和同步还原策略将单分散Pt位点负载在NiFe-LDH上用于全解水反应

第一作者：霍嘉敏

通讯作者：王颖，李淑妮，翟全国

通讯单位：陕西师范大学

氢能是一种非常重要的新能源，其热值高产物清洁无污染。利用电解水技术来制取氢气具有十分广阔的应用前景，但目前电解水制氢的催化剂主要为贵金属催化剂，其价值昂贵不利于大规模的工业生产，因此需要实现贵金属的充分利用以降低成本。

将单分散贵金属负载在非贵金属基底上可以有效的降低成本，提升贵金属的利用效率，是制备高稳定性和高活性单分散贵金属催化剂的一种有效策略。缺陷结构的形成有利于捕获并稳定贵金属，因此，将贵金属离子锚定在双层氢氧化物(LDH)的缺陷上制备单分散贵金属催化剂，以实现高效全解水催化剂的制备合成。

本文中，以金属有机框架材料(MOFs)为前驱体，构筑MOF和LDH异质结构，由于两者之间的结构失配，会在异质界面上引入大量的缺陷位点，这些缺陷位点可以有效地锚定贵金属离子，限制其迁移和聚集。同时异质结构中的金属离子会和贵金属发生同步氧化还原，实现低价态贵金属的合成。

基于此，陕西师范大学翟全国教授团队，在期刊Small上，发表了题为“Monodispersed Pt sites Supported on NiFe-LDH from Synchronous Anchoring and Reduction for High Efficiency Overall Water Splitting”的文章。

在文章中，利用MOFs和LDHs构筑异质结构，PtII会被锚定在MOF和LDH的异质界面上，随后结构中的FeII会通过自发氧化还原过程将PtII还原为低价态，从而实现将单分散Pt位点负载在NiFe-LDH上。该催化剂实现了优异的全解水性能，在10 mA·cm^-2下，其HER和OER反应的过电势分别为58和239 mV，当Pt@LDH-4h同时作为阴极和阳极时，在电流密度为10 mA·cm^-2时，具有1.49 V的较低电压，其优于商业催化剂的同时也优于绝大部分同类的LDH基电催化剂。

图一是将单分散Pt位点负载在NiFe- LDH上(Pt@LDH-4h)的合成示意图。前驱体Fe-soc-MOF，在尿素和Ni²⁺的共同作用下将MOF转化为MOF/LDH异质结构，溶液中的PtII被锚定在MOF/LDH异质界面的缺陷位点上，同时结构中的FeII和PtII发生自发氧化还原反应，将PtII转变为低价的Pt，实现单分散Pt位点的合成。

要点二：通过MOFs水解得到超薄NiFe- LDH，在经过自发氧化还原反应之后，单分散Pt位点在LDH表面均匀分布。

图二对Pt@LDH-4h进行了结构和形貌的表征。XRD结果显示Pt@LDH-4h仍为NiFe-LDH的结构，说明在引入Pt之后LDH的结构没有发生变化。AFM和TEM显示了超薄纳米片结构。HRTEM显示Pt位点在LDH表面均匀分布，粒子的尺寸仅为4~5 nm。

要点三：同步辐射测试结果说明，合成的产物中Pt为单分散状态。

图三显示Pt具有Pt- O和Pt-M两种配位模式，说明在Pt@LDH-4h内部Pt具有单原子和纳米颗粒两种存在形式，进一步证明了单分散Pt位点的成功合成。

要点四：合成的Pt@LDH-4h催化剂，因单分散Pt位点、超薄的NiFe-LDH片层、Pt与NiFe-LDH的协同作用以及Pt-M/O键对电子结构的调节作用使催化剂具有优异的全解水电催化性能。

图四和图五为Pt@LDH-4h催化剂的HER，OER以及全解水性能，结果表明合成的产物具有很好的HER，OER以及全解水催化性能。在10 mA·cm^-2下，其HER和OER反应的过电势分别为58和239 mV，当Pt@LDH-4h同时作为阴极和阳极时，在电流密度为10 mA·cm^-2时，具有1.49 V的较低电压，其优于商业催化剂的同时也优于绝大部分同类的LDH基电催化剂。

要点五：本文利用MOF/LDH异质结构的缺陷锚定贵金属的合成方法具有普适性，为制备单分散贵金属位点催化剂提供了全新的思路。

图6为更换不同的MOFs前驱体以及捕获不同贵金属时，所制备的M@LDH催化剂的催化性能。

本文成功的开发了一种高效的原位锚定和同步还原的策略，成功的将单分散的贵金属负载在NiFe-LDH上，实现了高效的全解水性能。Pt@LDH-4h的优异性能归因于单分散Pt位点和NiFe-LDH之间的协同作用，Pt-M/O和超薄NiFe-LDH的形成。Pt@LDH-4h表现出了优异的HER，OER以及全解水性能，优于商业Pt/C和RuO₂催化剂材料以及目前报道的LDH基催化剂。该工作为合理设计单分散贵金属催化剂提供了方法。同时该方法在更换不同的MOF前驱体和贵金属时同样可行，表现出了方法学的普适性。

陕西师范大学化学化工学院教授、博士生导师，副院长。入选教育部“高层次人才奖励计划”青年学者、教育部“新世纪优秀人才”支持计划、陕西省首批“杰出青年科学基金”、陕西省“青年科技新星”和陕西师范大学化学化工学院“腾飞计划学者”。主持国家自然科学基金面上项目3项，国家自然科学基金青年项目1项，陕西省自然科学基金青年项目1项，陕煤联合基金项目1项，中央高校基金创新团队项目2项等。

以第一或通讯作者在包括J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Nat. Commun., Acc. Chem. Res.，Chem. Mater.，Chem. Commun.，Chem. Eur. J.，Inorg. Chem. 等国际顶级期刊发表研究论文100余篇，论文累计被引用5000余次，h-指数为33。获授权中国发明专利10余项。获陕西省自然科学奖二等奖1项，三等奖1项，陕西高等学校科学技术奖一等奖2项。入选2018年度教育部首批100个全国高校“双带头人”教师党支部书记工作室。

李淑妮教授

陕西师范大学化学化工学院教授、博士生导师。目前主要从事过渡金属电催化材料设计合成方面的研究。主持国家自然科学基金3项、陕西省自然科学基金2项、获得陕西省科学技术奖二等奖1项（第二人）。

王颖副研究员：

陕西师范大学化学化工学院副研究员。目前主要从事2D导电MOF基电催化剂的设计合成。主持国际自然科学基金青年科学基金项目一项，陕西省自然科学基金青年项目一项。

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