李琪/李高仁/郑黎荣ACS Energy Lett.: 短路径氢溢流提升氢析出反应效率

邃瞳科学云

2023-11-29

导读：本工作设计和制备了P-Pt3Co催化剂，通过短距离、低界面能垒的氢溢流路径实现了低电位、高电流密度的氢析出反应。

第一作者：李成飞

通讯作者：郑黎荣，李高仁，李琪

通讯单位：佛山仙湖实验室，四川大学，中国科学院高能物理研究所

论文DOI：doi.org/10.1021/acsenergylett.3c02021

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目前，制备低过电位、高电流密度酸性析氢（HER）催化剂仍具有挑战。尽管Pt基催化剂在低电流密度下表现出性能优越的电催化活性，但高电流密度下依然具有较高的过电位导致其低效率，这主要归因于高电流密度下质子不能及时充分地传递至催化剂表面暴露的活性位点，导致低产氢效率。基于此，本文提出了短路径、低界面能垒的氢溢流路径策略，构筑了P掺杂Pt₃Co负载在N掺杂碳上的复合催化剂（P-Pt₃Co/NC）。P作为质子富集位点，并在析氢过程中促使质子快速地转移至邻近高本征活性的Pt位点，从而获得高效的析氢反应。同时，该策略缓解了传统金属-负载复合催化剂涉及的长路径、高界面能垒的氢溢流问题。

背景介绍

在较短的反应路径内实现良好的H*转移、吸附和H₂脱附对提高酸性HER动力学至关重要。尽管Pt基催化剂在低电流密度下表现出性能优越的催化活性，但高电流密度下依然具有较高的过电位导致其低效率，这主要归因于高电流密度下质子不能及时充分地传递至催化剂表面暴露的活性位点，导致低产氢效率。因此开发高电流密度下高效率的Pt基催化剂，对提升实际工况下析氢反应效率至关重要，也是目前质子交换膜电解槽工业可持续发展的重点研发方向。

针对该挑战，佛山仙湖实验室李琪教授、四川大学李高仁教授、中国科学院高能物理研究所郑黎荣副研究员提出了短路径、低界面能垒的氢溢流路径策略，构筑了P掺杂Pt₃Co负载在N掺杂碳上的复合催化剂（P-Pt₃Co/NC）。原子水平掺杂的P作为质子富集位点，并在析氢过程中促使质子快速地转移至邻近高本征活性的Pt位点，从而获得了低过电位下的高电流密度析氢反应。同时，该策略缓解了传统金属-负载复合催化剂涉及的长路径、高界面能垒的氢溢流问题。具体地，本工作通过原位电化学、原位拉曼表征及理论计算证明了P具有较强的氢吸附能力，在HER过程中，因其较低的氢溢流界面能垒，被吸附的氢快速地从P位点转移至邻近的Pt位点，从而更充分地向表面暴露活性位点提供质子。另外P同时调控活性位点Pt的电子结构使其具有更合适的氢结合能，促进了氢组合和氢气脱附。因此，P-Pt₃Co/NC在1.5 A/cm²的电流密度下只有219 mV的过电位。该工作为设计和制备高电流密度下的析氢催化剂提供了新策略。

图文解析

图1. P-Pt₃Co/NC催化剂的合成示意图及结构表征。

图2. P-Pt₃Co/NC催化剂表面价态和配位结构表征。

图3. P-Pt₃Co/NC催化剂的HER性能。

图4. 氢溢流机制的表征。

图5. DFT计算模拟。

总结与展望

综上所述，本工作设计及制备了P-Pt₃Co催化剂，通过短距离、低界面能垒的氢溢流路径使其获得了高电流密度下低电位的析氢反应。通过原位电化学、原位拉曼和理论计算证明了P具有较强的氢吸附能力并可作为质子的富集位点，并在HER反应过程中快速地将质子转移至活性位点Pt，从而更充分地向表面暴露活性位点提供质子，使其在高电流密度下获得低过电位的产氢效率。

作者介绍

李琪，佛山仙湖实验室教授，分别于1999年和2002年在北京大学化学与分子工程学院获化学学士及高分子化学与物理专业硕士学位，2007年博士毕业于澳大利亚墨尔本大学，师从Frank Caruso院士，其后于2007至2012年在莫纳什大学Alan Bond院士课题组从事博士后研究工作。2016年回国加入武汉理工大学麦立强教授团队并开始研究生导师的职业生涯，2020年6月加入佛山仙湖实验室，主要研究方向是面向安全高效稳定的电化学能源器件的电极材料的多级结构调控，包括储能电池和电催化体系。本人长期从事纳米材料的可控制备、组装与应用的研究工作，近年来，尤其在电化学能源材料的可控制备、结构调控、结构-性能相关性的深入探究等方面取得了一系列创新性的研究成果，在 Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Energy Lett., Nano Lett.等国际知名期刊发表SCI论文69篇，其中第一作者或通讯作者论文39篇，H-index 37。以第一发明人授权中国发明专利5项。Adv. Mater., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等几十种国际知名学术期刊的邀请审稿人，主持国家自然科学基金2项。

郑黎荣，男，1981年生，中国科学院高能物理研究所、多学科中心XAFS实验站副研究员；2009年毕业于中国科学院高能物理研究所，获理学博士学位；2009年起任职于北京同步辐射装置XAFS实验站；2018年起北京高能光源X射线吸收谱学束线系统负责人；主要研究侧重于XAFS实验方法、XAFS实验技术在催化、材料、环境领域的基础和应用研究。