【催化】诺贝尔奖分子富勒烯C60表面铂单原子加速碱性析氢- 大数跨境

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2023-05-20

导读：华中科技大学李芳芳教授课题组利用富勒烯C60的结构优势，将Pt原子锚定在其表面，构建了具有高负载Pt单原子的催化剂Pt/C60，其在电化学析氢反应中显示出优异的催化性能。

富勒烯C₆₀于1985年被发现，是由60个碳原子通过单键和双键连接在一起的笼状分子，形成了一个具有12个五边形和20个六边形面的空心球。1996年富勒烯的发现者Harold Kroto、Richard Smalley和Robert Curl因其开拓性的工作而被授予诺贝尔化学奖。C₆₀分子以美国建筑师Buckminster Fuller的名字命名为buckminsterfullerene（或buckyball），他的网格球形穹顶是基于相同的结构原理建造的。

随着“双碳”战略的实施，清洁可再生能源备受关注，电催化水分解因其环境友好成为非常有前景的产氢途径之一，而此过程中产氢催化剂至关重要。铂单原子催化剂表现出优异的电化学析氢反应（HER）性能，但高负载铂单原子催化剂的合成极具挑战性，因此，开发高负载高分散Pt单原子催化剂的低温合成策略是关键也是挑战。

富勒烯是碳的第三种同素异形体，是具有明确分子结构的纳米碳材料。C₆₀表面具有丰富的缺电子C=C双键，且C=C双键具有良好的化学反应活性，可以与金属配位形成富勒烯金属络合物，华中科技大学李芳芳教授课题组利用富勒烯C₆₀的结构优势，将Pt原子锚定在其表面，构建了具有高负载Pt单原子的催化剂Pt/C₆₀，其在电化学析氢反应中显示出优异的催化性能。

通过在氮气保护下室温搅拌富勒烯C₆₀与Pt前驱体溶液合成了Pt/C₆₀催化剂，铂负载达到ca. 21 wt%，其中大多数Pt以单原子形式存在，少数为超小Pt团簇。其内部结构为Pt-C₆₀聚合结构，其中Pt单原子连接两个相邻的C₆₀分子。

图1. Pt/C₆₀催化剂的合成示意图及结构表征

合成的Pt/C₆₀催化剂在碱性环境中表现出优异的HER活性和稳定性。通过调控C₆₀与Pt前驱体的摩尔比，可以调控单原子与Pt簇的比例，获得三种Pt/C₆₀催化剂，其中以C₆₀ : Pt = 2 : 1摩尔比制备的Pt/C₆₀-2表现出比商用20 wt% Pt/C更优异的HER活性和稳定性，在10 mA cm^-2的电流密度下显示出25 mV的过电位，低于商用20 wt% Pt/C的39 mV，而且比Pt/C具有更高的质量活性。Pt/C₆₀-2的Tafel值为55 mV dec^-1，小于Pt/C的99 mV dec^-1，表明其较快的HER反应动力学。Pt原子与C₆₀分子之间的强相互作用，减小了电荷转移电阻，加速了催化剂与电解质界面的电子转移速率。在较宽的电位范围内，Pt/C₆₀-2具有比Pt/C更高的TOF值，在150 mV的过电位下具有11.2 s^-1的高周转频率，表明Pt/C₆₀-2具有较高的产氢效率，Pt/C₆₀-2对HER的法拉第效率为>98%。此外，Pt/C₆₀-2在60 ℃ 5 M KOH中仍表现出比Pt/C更好的催化性能。这项研究为设计高效的单原子催化剂提供了新的思路，富勒烯分子有望成为新一代金属单原子/簇催化剂载体。

图2. Pt/C₆₀-2的催化性能

小结

本工作合成并表征了高负载、高分散的富勒烯C₆₀限域铂催化剂的结构和催化性能。Pt/C₆₀-2在碱性HER的活性和稳定性方面优于商业Pt/C，通过在球形富勒烯载体上设计金属单原子，为开发高性能催化剂提供了新的思路和策略。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是华中科技大学硕士研究生张睿玲和李耀周。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Single-atomic platinum on fullerene C₆₀ surfaces for accelerated alkaline hydrogen evolution

Ruiling Zhang, Yaozhou Li, Xuan Zhou, Ao Yu, Qi Huang, Tingting Xu, Longtao Zhu, Ping Peng,* Shuyan Song,* Luis Echegoyen,* Fang-Fang Li*

Nat. Commun., 2023, 14, 2460, DOI: 10.1038/s41467-023-38126-z

李芳芳教授简介

李芳芳，华中科技大学教授。2009年于中科院长春应用化学研究所取得博士学位，2009-2015年在美国从事博士后研究工作，2016年加入华中科技大学材料科学与工程学院。课题组的研究面向“碳中和”国家重大需求，聚焦清洁能源材料与CO₂转化，致力于开发高效稳定的制氢催化剂，以及高效的CO₂捕获与转化技术，通过电化学手段以CO₂为碳源制备高附加值产品以及可用于催化和储能的功能碳材料。

https://www.x-mol.com/university/faculty/37873

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