马天翼/王磊ACS Nano：原子分散的铂以金属键合Pt-Co作为有效的产氢电催化剂

氢具有高能量密度和环保等优点是化石燃料的理想替代品。在各种已开发的可用方法中，电解水制氢具有许多优点，如可持续性、清洁性和高纯度。为了提高电解水制氢的电催化性能，人们致力于开发高效的电催化剂来加速析氢反应（HER）的反应动力学。迄今为止，Pt族金属是最优异的催化剂，它们的成本和稀缺性是其大规模实际应用的障碍。虽然已经报道了几种非贵金属基的电催化剂，具有成本效益和良好的活性，但其催化活性在工业应用中仍不理想。

因此，皇家墨尔本理工大学马天翼和青岛科技大学王磊（共同通讯）等人采用溶剂热处理、单宁酸处理、氮化处理等方法，在泡沫镍表面制备了银杏叶状Co₄N与微量铂金属通过Pt-Co键偶联 (T-Pt-Co₄N)的催化剂，研究了其对 HER性能的影响。

在碱性和中性电解质中，T-Pt-Co₄N只需要31mV 和27mV的低过电位即可分别达到10mA cm^-2的电流密度，超过了基准 Pt/C 和以前报道的催化剂。T-Pt-Co₄N除了用于HER，所制备的T-Co(OH)F催化剂在碱性电解质中以1.51 V的电位表现出优异的OER活性，以达到10mA cm^-2的电流密度。

因此，以T-Pt-Co₄N和T-Co(OH)F分别作为阴极和阳极电极进行全水解，当电流密度为10mA cm^-2时电压仅为1.55 V，其比商业Pt/C和RuO₂和大多数报道的催化剂组成的全解水系统的性能要优异。此外，T-Pt-Co₄N在研究的介质中表现出优异的长期稳定性，并且在可持续能源的帮助下能够高效进行全水解。

通过密度泛函理论（DFT）计算，阐明了T-Pt-Co₄N中各组分的协同作用对优化碱性介质中HER的电催化性能的影响。从T-Pt-Co₄N的二维电荷差等值面可以看出电子的强离域，为电子从Pt转移到Co提供了电位通道。

此外，通过计算得到T-Pt-Co₄N和T-Co₄N的积分晶体轨道哈密顿粒子数值分别为-1.37 eV和+1.24 eV，表明引入微量Pt后化学键更强。此外，通过DFT计算还研究了HER过程的动力学能垒。T-Pt-Co₄N的水分解能垒相对于T-Co₄N和Pt（111）最低，为0.58 eV，证明引入了微量Pt后加速了Volmer过程。

此外，T-Pt-Co₄N的氢吸附自由能比T-Co₄N小，说明吸附/脱附过程比T-Co₄N更容易。理论计算结果表明微量的Pt的引入可以调节催化剂的表面性质，降低水解离能垒，优化反应中间体的吸附/脱附，有效地提高了电催化性能。本文的合成策略为在能源相关领域开发和制备催化剂开辟了一条有效的道路。

Metallic-bonded Pt-Co for atomically dispersed Pt in the Co₄N matrix as an efficient electrocatalyst for hydrogen generation, ACS Nano, 2022, DOI: 10.1021/acsnano.2c04090.

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04090.

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