第一作者：石月，张丹, 黄昊
通讯作者：王磊，赖建平
通讯单位：青岛科技大学
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相工程是合成高效催化剂的有效策略，但非常具有挑战性。本文采用氢辅助煅烧法首次分别合成了面心立方相、简单立方晶相、以及面心立方和简单立方晶相共存的PtFe纳米泡沫。电催化测试结果表明，PtFe-mix在1.0 M KOH中表现出优异的析氢反应（HER）活性，仅需28 mV的过电位就可以达到10 mA cm-2的电流密度，优于商用Pt/C (34 mV)。密度泛函理论计算进一步证明了PtFe-mix具有更合适的d带中心和更低的反应能垒，有利于促进初始水解离。这项工作为设计具有高效析氢活性的PtFe基催化剂提供了新的策略。
背景介绍
得益于较高的热值和使用过程无污染的特性，氢气有望成为替代化石能源的新型能源载体。电催化HER是一种稳定可靠生产高纯度氢气的方法，具有广阔的工业应用前景。研究发现，Pt具有优异的H吸附能，因此Pt基材料被视为最高效的酸性HER催化剂。但由于对设备要求简单以及催化剂寿命相对较长的优势，碱性HER更具有研究意义。然而在碱性介质中Pt-Had键难以形成，这极大阻碍了Pt基催化剂的HER动力学。并且，Pt 5d轨道几乎完全被电子填满，导致其与水分子轨道重叠时产生强烈的泡利斥力。 因此，通过合理调节Pt基催化剂电子结构来提升其碱性HER活性十分具有研究前景。
过渡金属的引入可以有效地调节Pt原子的电子结构，优化Pt-Had的强度，从而提高了Pt基催化剂的本征活性。然而在碱性介质中，双金属合金策略难以降低Pt基材料与水分解相关的Volmer步骤反应能垒。因此，研究者们进一步开发了许多策略来提高Pt基双金属催化剂的HER活性，例如调节材料的形貌、尺寸、组成和结构。其中，自支撑的3D纳米泡沫结构有利于更多活性位点的暴露，从而加速反应动力学。此外，相工程是调节纳米材料结构和功能的有效策略之一。近年来，通过调节反应热力学和动力学，研究人员制备了许多具有优异催化性能的非常规相纳米材料。由于Fe储量丰富、价格低廉，非常规相的PtFe合金也受到了广泛关注。目前报道的PtFe合金主要包括常规面心立方相和非常规面心四方相，但对于PtFe合金促进电催化HER的研究十分有限。因此，通过相工程开发具有高效碱性HER活性的PtFe纳米泡沫十分具有研究意义并充满挑战。
图文解析
图1. (a) PtFe-fcc, PtFe-mix 和 PtFe-scc的XRD图谱；(b) 部分放大的XRD谱图和(c-e) PtFe-fcc, PtFe-mix 和 PtFe-scc的 高分辨TEM图谱。
图2. PtFe-mix的物理表征。(a-c) TEM图像; (d) HAADF-STEM图和相应的mapping图。
图3. PtFe-mix的高分辨XPS谱。（a）Pt 4f XPS光谱图和（b）Fe 2p XPS光谱图。
图4. 不同催化剂在1.0 M KOH溶液中的电催化HER性能研究。（a）HER极化曲线； （b）电流密度为10 mA cm-2和50 mA cm-2时的过电位对比图； （c）Tafel斜率； （d）交换电流密度对比图；（e）TOF对比图和（f）多圈CV循环前后，PtFe-mix的HER极化曲线（插图：计时电流曲线）。
图5. (a) PtFe-fcc, PtFe-mix 和 PtFe-scc的模拟结构图（蓝色球 = Pt原子，紫色球 = Fe原子）； (b) PDOS对比图； （c）反应路径能量图和（d）水离解活化能对比。
总结与展望
综上所述，结合形态调节和相工程策略，本文首次合成了具有不同晶相PtFe纳米合金泡沫。电催化测试结果表明，PtFe-mix展示出了优异的碱性HER活性。这项工作为PtFe合金晶相调节提供了新的思路和补充。
文章链接
Mixture Phases Engineering of PtFe Nanofoams for Efficient Hydrogen Evolution
https://doi.org/10.1002/smll.202106947
通讯作者简介
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90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., Sci. China Mater., Nano Res., Chin. J. Catal.等国际著名期刊上发表SCI论文九十余篇, 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。https://www.x-mol.com/groups/lai_jianping
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，青岛科技大学环境与安全工程学院院长。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。长期从事绿色能源和多孔催化相关领域研究，已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Enery Mater., Energ Environ Sci, 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，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。
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