刘献明教授，原长洲教授JMCA观点：基于电荷再分配效应构建PVP凝胶基Pt/Ni(OH)2异质结及其促进碱性析氢反应- 大数跨境

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刘献明教授，原长洲教授JMCA观点：基于电荷再分配效应构建PVP凝胶基Pt/Ni(OH)2异质结及其促进碱性析氢反应

科学材料站

2021-11-13

导读：该论文基于聚乙烯吡咯烷酮(PVP)凝胶，开发了一种简单的方法来设计Pt/Ni(OH)2异质结

文章信息

基于电荷再分配效应构建PVP凝胶基Pt/Ni(OH)2异质结及其促进碱性析氢反应5

第一作者：李进

通讯作者：刘献明*，原长洲*，

单位：洛阳师范学院，济南大学

研究背景

随着人类经济的快速发展，随之而来的能源危机越来越突出。目前，不可再生的传统化石燃料会导致严重的环境污染。氢能源由于绿色环保，是替代化石燃料首选。目前，利用电催化析氢反应(HER)制备氢气，引起研究者的广泛关注。与酸性介质相比，碱性介质由于产氢稳定、腐蚀较低、氢气纯度高，具有更优越的性能。

然而，由于碱性HER的动力学缓慢，电催化剂总存在较高过电位和能耗，不利于其在工业电解水中的实际应用。因此，需要合理设计具有显著稳定性和低成本的高效电催化剂来提高碱性HER的反应动力学。

文章简介

基于此，来自洛阳师范学院的刘献明教授与济南大学的原长洲教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为《Polyvinylpyrrolidone Gel Based Pt/Ni(OH)₂ Heterostructures with Redistributing Charges for Enhanced Alkaline Hydrogen Evolution Reaction》的研究论文。

该论文基于聚乙烯吡咯烷酮(PVP)凝胶，开发了一种简单的方法来设计Pt/Ni(OH)₂异质结（图1）。通过重新分配异质结构中的电荷来优化活性位点的水解离能和氢吸附吉布斯自由能。优化后的催化剂在10、50和100 mA cm^-2的电流密度下，分别获得12、37和60 mV的极低过电位，优于商业Pt/C和大多数报道的碱性HER催化剂。

密度泛函理论计算结果表明，PVP凝胶不仅可以重建Pt/Ni(OH)₂异质结构，加速水解离动力学，降低氢吸附吉布斯自由能，从而提高碱性HER，还会提高Pt/Ni(OH)₂催化剂的稳定性。这项工作为高效和稳定的碱性HER催化提供一种有效策略。

图1. 催化剂的制备过程

文章链接

Polyvinylpyrrolidone Gel Based Pt/Ni(OH)2 Heterostructures with Redistributing Charges for Enhanced Alkaline Hydrogen Evolution Reaction

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TA/D1TA06149F

本文要点

要点一：PVP凝胶基Pt/Ni(OH)₂异质结的构建

Pt/Ni(OH)₂异质结已经被广泛制备和研究，但如何使PVP凝胶包覆在异质结上仍面临着挑战。在常规的水热反应和高温水相回流制备工艺中，只能得到含量较少的吸附态PVP分子。考虑到PVP在180度左右物理特性会发生变化，我们采用蒸发法，使水溶液快速蒸发，在此过程中PVP分子形成PVP凝胶（图2）。

图1. CoTMPP/CNT杂化材料示意图和 TEM， HRTEM图像

要点二：PVP凝胶调控Pt/Ni(OH)₂异质结的电荷

异质结构中不同成分之间的电荷转移会影响d带中心的变化，从而影响HER性能。对于二元异质结构，一旦异质结形成，电荷的转移方向就会确定。如何使电荷转移方向发生变化，对催化剂性能的提高至关重要。本论文引入第三方PVP凝胶调控异质结电荷，从而改变电荷的分布，最终提高Pt/Ni(OH)2的碱性HER性能（图3，4）

图3. Pt/Ni(OH)2与PVP@Pt/Ni(OH)2电荷转移的变化

图4. 理论计算部分

要点三：Pt基催化剂稳定性改善

目前提高Pt基催化剂稳定性常见方法为合金化及碳层包覆，对于PVP凝胶包覆还没有报道。PVP与Pt原子相互作用，不仅改变Pt原子的电荷分布，而且防止Pt发生团聚，从而提高催化剂的HER性能和稳定性（图5）。

图5. 电催化性能测试

通讯作者简介

刘献明教授

硕士生导师，香港科技大学访问学者，河南省高校青年骨干教师，洛阳市青年科技专家。研究方向为能源化学与材料，先后主持完成国家自然科学基金1项，省级项目3项。近年来在Prog. Mater. Sci.，Nano Energy，Energy Storage Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano，J. Mater. Chem. A，Chem. Eng. J.，Nanoscale Horiz.，ACS Appl. Mater. Interfaces，Nanoscale，J. Power Sources，Comp. Sci. Technol.，Electrochim. Acta，Inorg. Chem. Front.，Appl. Surf. Sci.等国际知名期刊发表论文80余篇。论文引用次数3000次以上，H指数为28，有4篇论文入选为ESI高被引论文，单篇最高被引超300次。作为第一发明人授权国家发明专利5项。

原长洲教授

济南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，山东省“泰山学者特聘教授”，省杰出青年基金和省技术领军人才获得者。2016-2020连续5年入选科睿唯安“全球高被引科学家”和爱思维尔“中国高被引学者”榜单。获教育部自然科学奖二等奖和省青年科技奖各一项。秉承“料要成材，材可成器，器之有用”的研究理念，聚焦电化学存储与转换领域前瞻性课题和关键技术难题，主要致力于关键材料精准合成、结构-组分/功能调控、内在储电/转换机制，及器件设计、构建与优化等应用基础研究。迄今，以第一/通讯作者已在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater. 和Mater. Today等国际刊物上发表SCI学术论文100余篇。个人H-index为58。申请中国发明专利20余项。部分研究成果已经在相关企业完成中试、检测和示范。现任InfoMat和Rare Metals学术刊物青年编委。

第一作者简介

李进博士/讲师

李进，博士/讲师，研究方向为光电功能材料。在J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., Mater. Lett., CrystEngComm, Dalton Trans., New J. Chem. 及ChemSusChem等SCI期刊上发表学术论文10余篇。

课题组介绍

本课题组集中于“电化学材料与器件”领域，开发应用于二次电池、超级电容器等领域的新型储能材料、电催化析氧（氢）催化剂，聚焦电极材料中的界面电荷转移与存储，解析多相界面的物理与化学，探索储能器件中离子电子传输机制，为制约储能电池发展的瓶颈问题提供研究基础。课题组依托河南省功能导向多孔材料重点实验室，拥有EosS2型X-射线单晶衍射仪、德国Bruker D8型X-射线粉末衍射仪、日本TG/DTA6300热分析系统、美国Q2000差示扫描量热仪、微波合成仪、美国ASAP2020吸附仪、德国ZEISS SIGMA 500场发射扫描电子显微镜等关键仪器设备。此外，课题组拥有Arbin充放电测试仪、新威充放电测试仪、普林斯顿电化学工作站、辰华电化学工作站、美国VAC手套箱等分析测试设备及静电纺丝仪、微波光波超声萃取仪、气氛马弗炉等多种材料制备设备。