【催化】高效电催化析氢催化剂：镶嵌Pt-Co纳米合金的多孔氮掺杂碳纳米管- 大数跨境

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2021-06-24

导读：新加坡南洋理工大学的楼雄文教授团队报道了超小Pt-Co纳米合金镶嵌于具有封闭末端的多孔氮掺杂碳纳米管的合成，该合成涉及一种从沸石咪唑骨架ZIF-67纳米棒衍生的热解-置换-重组方法。

作为一种必不可少的制氢技术，可再生能源驱动的电解水在未来可持续发展社会中具有重要战略地位。制备高性能催化剂是进一步提升析氢反应（HER）过电位并提高能量转换效率的关键。传统上，作为HER催化领域的圣杯，经典铂碳催化剂对氢中间体有最优化的吸附作用，确保了在酸性条件下HER反应中低的过电位和快速的反应动力学过程。然而，在长期催化过程中金属纳米颗粒的团聚和溶解会导致催化活性和稳定性的迅速下降，因此限制了铂碳催化剂的大规模使用。相比之下，碱性电解水制氢因其反应物来源广泛、制造安全性好、产量稳定、产品纯度高而受到工业界的青睐。然而，受限于碱性介质中H⁺离子浓度较低，HER 的引发需要水分子的大量解离，导致其反应速率通常比酸性介质中降低两到三个数量级。为了进一步改善铂催化剂的活性和稳定性，应该进一步提升碳载体和合金成分的设计，从而增强在其酸性介质中的稳定性和在碱性介质中的动力学过程。

近日，新加坡南洋理工大学的楼雄文教授团队报道了超小Pt-Co纳米合金镶嵌于具有封闭末端的多孔氮掺杂碳纳米管的合成，该合成涉及一种从沸石咪唑骨架ZIF-67纳米棒衍生的热解-置换-重组方法。在热重组过程中，Pt-Co 纳米合金的结晶度得到进一步增强的同时，合金颗粒向碳纳米管的内外表面迁移，确保了活性位点的最大暴露，并保持了与多孔碳基质的牢固附着。由于合金化作用带来的电子结构的优化和金属-载体的强相互作用，所获得的 Pt₃Co@NCNT 电催化剂在酸性和碱性介质中均表现出对 HER 的超高活性和超长稳定性。密度泛函理论（DFT）计算表明，Pt₃Co对于氢中间体的吸附自由能接近热力学中性，并且合金化作用产生了多样化的活性位点，从而极大地提升了析氢反应的本征活性。同时，经过精细设计的氮配位多孔碳壳结构主体同时提供了化学吸附和物理限域的作用，可防止超小Pt₃Co纳米颗粒在反应过程中聚集，从而确保其对HER的超长稳定性。该工作对电催化剂的组成和结构进行了新型设计，为精准控制碳载体中合金纳米颗粒的组成与空间分布提供新思路，进一步提高了合金在能源相关领域的利用效率和稳定性。