第一作者：于文昊，黄昊
通讯作者：王磊，赖建平
通讯单位：青岛科技大学
背景介绍
氢被认为是最有前途的化石燃料替代能源，因为它在发动机燃烧过程中的完全零碳排放和高能量密度。在电化学制氢催化剂中，铂（Pt）基催化剂是研究最广泛、应用最广泛的催化剂。但是在碱性条件下反应速率受限。将过渡金属及其衍生物与Pt结合合成的催化剂，可以促进水分解以提供反应所需的H*。但过渡金属在高电流密度下易溶解，这是提高催化剂稳定性的主要障碍。因此，开发具有低成本、快速动力学和在高电流密度环境中长期稳定性的Pt基电催化剂仍然具有挑战性。
据文献报道，杂原子（如N、O、S）掺杂的碳与金属之间的强金属-载体相互作用（SMSI）可以显著提高催化剂的稳定性。在这些杂原子掺杂的底物中，氮（N）掺杂的碳由于具有很强的锚定效应、优异的导电性，被广泛应用于电催化反应的研究中。一些研究证明，N掺杂碳材料具有促进水分解的能力，类似于过渡金属及其衍生物，而且成本远低于那些材料。
文章简介
近日，青岛科技大学王磊教授和赖建平教授课题组开发了具有SMSI的催化剂Pt/X-NCNT(X = 4, 8, 12, 16)，并首次证明了两种N官能团Pt在碱性介质中促进HER的协同作用。此外，研究了两种N官能团的含量对催化剂析氢性能的影响。与现有的Pt基催化剂相比，具有最佳吡啶-N和吡咯-N比例的Pt/8-NCNT显示出出色的HER性能。此外，值得一提的是Pt/8-NCNT在500 mA cm-2下显示出低过电位和出色的稳定性。
通过H3PO4阻断测试和原位电化学傅里叶变换红外光谱（FT-IR）测试表明，在HER过程中，吡啶-N和Pt的协同作用可以促进水在Pt上的吸附，而吡咯-N与Pt可以协同作用，有效促进H2O*解离。理论计算进一步证明了吡啶-N和吡咯-N在调节一些重要反应中间体（H2O*、OH*、H*）的吉布斯自由能（ΔG）方面的作用。H2O*的快速吸附和OH*的解吸提供了足够的H*，加速了反应的动力学。
图1. Pt/8-NCNT的SEM（a）和 TEM（b）图像。（c）Pt/8-NCNT的HRTEM 图像。（d）HAADF-STEM 图像和Pt/8-NCNT分别对应C、N、Pt和N+Pt的EDX图。
图2.（a）Pt/X-NCNT (X = 4, 8, 12, 16)的XRD图谱。（b）8-NCNT和Pt/8-NCNT的拉曼光谱。（c）Pt/CNT和Pt/8-NCNT的Pt 4f的高分辨率XPS光谱。（d）8-NCNT和Pt/8-NCNT的N 1的高分辨率XPS光谱。（e）Pt/X-NCNT (X = 4, 8, 12, 16)的N 1s的高分辨率XPS光谱。
图3.（a）Pt/X-NCNT (X = 4, 8, 12, 16)和Pt/C的HER极化曲线。（b）Pt/8-NCC在大电流下的HER极化曲线。（c）从（a）中的极化曲线获得的塔菲尔图。（d）Pt/X-NCNT和Pt/C的电位依赖性TOF曲线。（e） Pt/X-NCNT催化剂在5000次循环前后的极化曲线。（f）Pt/8-NCC在高电流密度下长达100小时的电流-时间 (i-t) 稳定性曲线。
图4.（a）Pt/CNT、Pt/pyridinic-N-CNT和Pt/pyrrolic-N-CNT的理论模型。（b）Pt/CNT、Pt/pyrrolic-N-CNT和Pt/pyridinic-N-CNT的计算PDOS，具有对齐的费米能级。（c）计算Pt/CNT、Pt/pyrrolic-N-CNT和Pt/pyridinic-N-CNT的Pt 5d带。（d）H*的吸附自由能。（e）HER 在从H2O到H2的碱性介质中的自由能分布。
作者介绍
赖建平教授，2019年以高层次引进到青岛科技大学化学与分子工程学院，教授，博导，泰山学者青年专家，山东省优秀青年基金获得者。长期从事清洁可再生能源的开发和利用，重点研究小尺寸（< 5nm）多组分纳米电催化剂在催化转化中的作用研究。近五年发表SCI论文80余篇，其中以通讯作者和第一作者身份在 Nat. Commun.、Chem、Joule、ACS Cent. Sci.、Energy Environ. Sci.、 Adv. Mater.、 Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Today、 Nano Lett.、Electrochem. Energy Rev.、Nano Res.、Chin. J. Catal.等国际著名期刊上发表SCI论文四十余篇, 其中影响因子大于10.0的论文三十余篇。主持科研项目包括山东省泰山学者人才工程计划项目、山东省优秀青年基金、国家青年基金等项目。
王磊教授，山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学崂山学者，博士生导师。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，同年来青岛科技大学工作至今。长期从事绿色能源相关领域研究，包括能源储存与转换材料、光电催化、超分子化学、金属-有机配位聚合物、有机-无机杂化材料等，先后合成出来首例微孔亚磷酸铍和首例具有三棱镜结构的高稳定金属有机钠盐。已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Enery Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A., Science. China. Chem.、中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文二百余篇, 其中通讯作者影响因子大于10.0的论文六十余篇。主持国家级和省部级项目十余项，首位获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共六项。
相关链接
The Synergistic Effect of Pyrrolic-N and Pyridinic-N with Pt Under Strong Metal-Support Interaction to Achieve High-Performance Alkaline Hydrogen Evolution
https://doi.org/10.1002/aenm.202200110
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