ACS NANO电催化：单原子Pt修饰VS2纳米片电催化析氢活性的增强

Available online 22 April 2020

深圳大学

单原子、铂、二硫化钒、析氢反应、催化剂

通过修饰贵金属催化剂来提高催化活性，为电催化析氢反应(HER)的应用提供了契机。本文报道了通过一种成本低廉的光热法将不同结构的铂催化剂(包括单原子(SAs)、团簇和纳米颗粒)可控地固定在VS2纳米片上，并对其性能进行了研究，得到了较高的质量活性。此外，理论模拟表明，Pt SA修饰使H*的吸附自由能更接近于热中性值，改善了电荷转移动力学，显著提高了H*的活性。本工作提供了一条基于Pt结构与VS2协同作用制备所需催化剂的途径，揭示了提高催化活性的内在机理，对HER应用具有重要意义。

氢气是实现能源经济可持续发展的最具发展前景的能源载体之一，目前产生氢气的一种方法是使用合适的催化剂加速电催化析氢反应(HER)。铂/碳化合物被认为是最有效的催化剂，特别是在酸性溶液中。然而，昂贵的贵金属铂的大量使用极大地限制了它们的广泛应用。因此开发高效、稳定、经济的催化剂是实现规模化生产氢气的关键战略。

相比之下，金属1T-VS2表现出边缘和基底平面的活性。其制备非常简单，只需要在160℃进行一次水热处理。因此，VS2似乎是Pt SA锚固的一个有利候选。

由于金属原子聚集成较大颗粒的自然趋势，如何在大尺度上可控地制备稳定的SAs和团簇仍是一个相当大的挑战。虽然许多合成方法已被报道，如质量选择软着陆，化学气相沉积，热解，湿化学方法，原子层沉积，微波加热等。但这些通常需要繁琐的步骤，高温，或严格的条件。

结果，与原始的VS2/CP相比，经pt修饰的VS2/CPs的HER活性增强明显，在酸性介质中的稳定性较高。SA簇Pt修饰的VS2/CP活性最强，在电流密度为10mA cm-2时，其超低过电位为77 mV，接近于Pt/C (48mV)。其活性为22.88 A mgPt-1，过电位为200 mV，是Pt/C的12倍(Pt粒子，1.87 A mgPt-1)。此外，Pt修饰的VS2/CP具有优异的耐久性，在超过12小时，1.0 V电压下，能保持18.5 mA cm-2的稳定电流密度，且在5000次循环后超电位增加<2%。密度泛函理论(DFT)计算表明，修饰的Pt原子促进了H原子的吸收行为，改善了电荷转移动力学，从而增强了其催化性能。

图2. VS2的结构和形貌表征

 (a) HRTEM image of a VS2 NS in pure VS2/CP; the inset shows the SAED pattern. (b) The SEM image of VS2/CP; the inset shows an area with large magnification. High-angle annular darkfield scanning transmission electron microscopy images of (c,d) 0.1Pt/VS2/CP, (e,f) 1Pt/VS2/CP, and (g,h) 10Pt/VS2/CP; inset in (h) shows particle size statistics from 200 NPs.

图4. 催化剂在0.5 M H2SO4溶液中的电化学性能。

 (a) LSV curves of pure CP, pure VS2/CP, 0.1, 0.5, 1, 5, and 10Pt/VS2/CP, and 20% Pt/C for comparison. (b) Current densities at −0.1 V vs RHE of pure VS2/CP, 0.1, 0.5, 1, 5, and 10Pt/VS2/CP with different Pt loading contents. (c) Mass activity of Pt of the 0.1, 0.5, 1, 5, and 10Pt/VS2/CP in comparison with 20% Pt/C catalyst for HER. (d) Tafel plots derived from the polarization curves. (e,f) Long-term stability test: (e) polarization curves of 1Pt/VS2/CP recorded before and after 5000 cycles from 0.05 to −0.65 V vs RHE; (f) time-dependent current density curve at −0.1 V vs RHE for 12 h.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b10048

王卓，助理教授

深圳大学助理教授。2010年、2013年于四川大学分别获得材料化学专业学士学位、材料物理与化学专业硕士学位。2017年获得新加坡国立大学和英国帝国理工联合颁发的博士学位。2018年加入深圳大学二维材料国际联合合作实验室，从事二维材料光电子学研究。在Nature Materials、Nature Communications、Nano Letters、ACS Nano等国际刊物发表论文约20篇，其中第一作者 论文多篇，包括Nature Communications，ACS Nano，Nanoscale等，获得中国发明专利2项，编著有英文书籍《2D Materials for Nano-Photonic Devices》的一个章节。获深圳市高层次人才孔雀C计划，国家自然科学基金青年项目，中国优秀留学生奖学金等。

张文静，教授

中国深圳大学教授。致力于新型二维光电材料的研究。在本领域取得了一系列的原创性成果，部分研究国际领先，在光电子期刊上共发表论文36余篇，其中第一作者和通信作者论文10篇，其中包括Nature communications 等影响因子大于10的7篇论文。论文被包括诺贝尔物理学奖得主、美国科学院院士、石墨烯制备创始人等在内的国际知名学者，在Nature Physics、Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、Nature Communications等国际著名学术刊物上引用了>2000多次，篇均引用次数50次,单篇最高引用410次。研究成果多次被Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews等国际一流刊物作为研究亮点综述性地重点介绍，被美国Chemical & Engineering News, Popular Science, MIT news等美国著名专业新闻媒体报道。

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