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介孔PtPb纳米片！电催化最新Angew，电流密度提升5.66倍！

邃瞳科学云

2023-05-28

导读：本文使用含乙二胺的一锅水热法，合成了介孔 PtPb 纳米片，其在析氢和乙醇氧化方面均表现出卓越的活性。

第一作者：Weidong Ao, Huijun Ren, Changgen Cheng

通讯作者：代磊，尹培群，钦青，张琪

通讯单位：河南大学，中国科学技术大学，安徽师范大学，合肥工业大学

论文DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202305158

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在本文中，作者使用含乙二胺的一锅水热法，合成了介孔 PtPb 纳米片，其在析氢和乙醇氧化方面均表现出卓越的活性。由此合成的 PtPb 纳米片具有富-Pt 结构，其 Pt 原子含量高达80%。该合成方法通过 Pb 物质的溶解形成了明显的介孔结构。这些先进的结构使介孔 PtPb 纳米片能够实现 21 mV 的极低碱性析氢过电位（10 mA/cm²）。此外，介孔 PtPb 纳米片对乙醇氧化也表现出优异的催化活性和稳定性。PtPb纳米片的最高催化电流密度是商业Pt/C的5.66倍。这项研究为设计用于电化学能量转换的介孔二维贵金属基材料开辟了新的方向。

背景介绍

超薄二维 (2D) 贵金属纳米材料的卓越物理和化学性质已得到广泛证明。这归因于它们的大比表面积和大量的表面不饱和配位原子。因此，它们被广泛应用于许多领域，例如生物成像、催化和电催化。尽管其具有巨大的优势，但是，由于各种因素的存在（例如晶体结构、热力学稳定性和表面张力），贵金属纳米片的合成仍然是一项具有挑战性的任务。此外，二维贵金属纳米片内的原子不直接参与催化反应过程。目前，一个主要的挑战在于寻找促进二维材料内部原子参与催化过程的有效途径，并最终提高这些材料的整体催化性能。

受多孔材料的启发，在催化剂表面引入介孔结构可以提高整个二维催化剂的原子利用率。此外，在催化过程中，将传统二维材料的催化界面扩展为三维微结构也可以实现活性提升。同时，引入额外的 3D 孔结构，可以大大提高 2D 催化剂的结构稳定性。创建孔结构的有效策略包括使用模板以及蚀刻过程等。然而，这些方法的一个潜在问题是所得孔结构可能会穿透整个整体催化剂，最终导致结构完整性较差。因此，开发具有理想活性和稳定性的介孔二维材料有可能在二维材料科学领域激发新的方向。

图文解析

图1. 获得的 m-PtPb NS 的表征。(a) 低倍 STEM 图像。单个纳米片的 (b) 正面和 (c) 侧面 STEM 图像。(d)典型的 m-PtPb NSs 的 HRTEM 图像。(e) m-PtPb NS 的孔径分布直方图。(f) 单个纳米片的 SEAD 图案。(g) EDX 线扫描和点分析图。(h) 沿 (g) 所示方向的线扫描轮廓图。(i, j) Pt 和 Pb 的原子百分比，分别对应于 (g) 中的i、j区域。

图2. m-PtPb NS 的精细结构表征。(a) Pt 箔、PtO₂ 和 m-PtPb NSs 的 XANES 光谱。(b) 相应的EXAFS傅立叶变换曲线。(c) Pt 箔、(d) PtO₂ 和 (e) m-PtPb NSs 的 EXAFS 数据的 WT 图。

图3. m-PtPb NS 的合成示意图。

图4. m-PtPb NSs、Pt/C、PtPb NSs 和 Pb 基 NSs 在 HER 中的催化性能。(a) 在 1.0 M KOH 水溶液中的电极表面积归一化极化曲线。扫描速率为 10 mV/s。(b) 电流密度为 10 mA/cm² 时所需的过电势。(c) 从 (a) 中获得的 Tafel图。在 1.0 M KOH 水溶液中，之前报道的 m-PtPb NSs 和 Pt 基电催化剂之间的 (d) 过电势和 (e) Tafel 斜率比较。(f) m-PtPb NSs 和 Pt/C 的长期测试计时电位曲线。(g) 在 Pt-Pb (111) 和 Pt (111) 上，水解离反应的自由能图。(h) 在 Pt-Pb (111) 和Pt (111) 上，计算的氢吸附吉布斯自由能 (ΔG_H*) 图。(i) Pt-Pb (111) 和 Pt (111) 的电荷密度差异，其中黄色和青色区域分别表示电子积累和耗尽。所有催化剂在碳纸上的负载量均为0.1 mg_Pt/cm²。

图5. m-PtPb NS、PtPb NS 和 Pt/C 在 EOR 中的催化性能。在 1.0 M KOH + 0.1 M 乙醇水溶液中的 (a) 质量归一化极化曲线，和 (b) ECSA 归一化极化曲线。扫描速率为 50 mV/s。(c) m-PtPb NSs、PtPb NSs 和 Pt/C的的最大质量活性电流密度和比表面积活性电流密度。(d) m-PtPb NSs、PtPb NSs 和 Pt/C 在 -0.5V vs. SCE 下的10000 秒计时电流曲线。(e) 在m-PtPb NSs上，不同电位下的醋酸盐法拉第效率。(f) 在Pt-Pb(111) 和 Pt(111)上，CH₃CH₂OH氧化的自由能图。所有催化剂在碳纸上的负载量均为0.1 mg/cm²。

总结与展望

总的来说，该研究借助乙二胺成功制备了 m-PtPb 纳米片。纳米片的介孔结构归因于合成过程中Pb物种的溶解。得益于大的电化学比表面积、介孔结构和亚-支撑物理结构，m-PtPb 纳米片对HER 和 EOR 表现出更高的本征活性。对于阴极析氢反应，其在 21 mV 的低过电势下实现了 10 mA/cm² 的电流密度，同时还表现出较小的 Tafel 斜率。而对于阳极乙醇氧化过程，即使在较低的乙醇浓度下，m-PtPb NSs也表现出优异的催化活性。因此，介孔 PtPb 纳米片有望作为双功能催化电极，用于乙醇重整电解槽。此外，m-PtPb NSs的制氢过电势明显低于迄今为止报道的金属基催化剂。这项工作为合理设计高效多功能介孔二维电催化剂以开发新的制氢系统提供了新的机遇。

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