​Nature子刊：GaN纳米线上Pt纳米团簇在太阳能辅助下实现海水析氢

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​Nature子刊：GaN纳米线上Pt纳米团簇在太阳能辅助下实现海水析氢氢具有足够高的能量密度和零碳排放，是一种可以替代化石燃料的清洁能源载体。在几种可能的方法中，电解水被认为是最有希望在低温下生产高纯度H2的途径之一。海水作为地球上丰富的氢资源，利用可再生能源电解海水可以实现可持续的绿色氢经济。
酸性海水是由酸性电解质和海水混合而成的，由于阴极附近的质子浓度很高，因此对于析氢反应(HER)来说是一种很有吸引力的水溶液。然而，在酸性海水中，氯氧化反应(COR)和析氧反应(OER)的竞争在阳极是不可避免的。与OER相比，COR在动力学上是有利的。当pH增大至7.55时，OER与COR的标准电极电位差值可逐渐增大至0.48 V。
因此，COR在碱性条件下可被抑制。密歇根大学米泽田和耶鲁大学Victor S. Batist(共同通讯)等人利用锚定在GaN纳米线上的Pt纳米团簇修饰光电阴极，显着提高了海水析氢反应的活性和稳定性。
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Si，Pt/Si，GaN/Si和Pt/GaN/Si的线性扫描伏安曲线在0.5 M NaCl(pH=9.1)中以及在1太阳(100 mW cm-2)照明下得到。Si、Pt/Si、GaN/Si和Pt/GaN/Si在-10 mA cm-2时的电位分别为-1.42、-1.41、-0.83和0.16 VRHE。GaN NWs和Pt NCs均能提高光电化学HER的活性。
GaN NWs与Pt NCs之间的协同作用是Pt/GaN/Si获得高催化活性的关键。GaN/Si和Pt/GaN/Si的饱和电流密度(~35 mA cm-2)比没有GaN NWs的饱和电流密度(~30 mA cm-2)大，因为GaN NWs提供了更大的表面积，并减少了菲涅耳反射损失。由于没有光生载流子，Pt/GaN/Si在黑暗中电流密度可忽略不计。
此外，还在不同的溶液中研究了Pt/GaN/Si的催化性能，以探索pH值和溶液中离子的影响。Pt/GaN/Si在0.5 M H2SO4溶液(pH=0)和1 M磷酸盐缓冲液(pH=7.4)中表现出较高的光电化学HER活性(10 mA cm-2时的电位大于0.3 VRHE)，即使在溶解的NaCl中也表现出较高的光电化学HER活性。
在0.5 M NaCl(pH=9.1)和海水(pH=8.2)中，尽管由于电极表面附近缺乏H+离子，光电化学HER性能略差于酸性和中性溶液，但在施加电位大于时0 VRHE仍能能发生HER。因此，在0.5 M NaCl+1 M PBS、0.5 M NaCl和海水中分别可以获得7.9%、1.6%和1.7%的高应用偏置光子电流效率。
此外，Pt/GaN/Si在不同NaCl浓度溶液中的极化曲线相同，证实了海水析氢的可行性。在双电极结构中，光电阴极工作超过120小时，并在聚光下产生了创纪录的~-169 mA cm-2的光电流密度，测得的效率和稳定性是有史以来报道的海水中光电化学HER的最高值之一。重要的是，还发现Pt/GaN/Si可以在光和暗条件下工作。
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本文通过理论计算，探索了Pt/GaN在HER中的作用。本文首先分析了水在Pt(111)表面的解离。H-OH键的断裂在Pt(111)上是高度吸热的，能量变化为0.72 eV。当水分子接近GaN表面时，它自发地解离为H+和OH–，OH–与Ga结合，H+与N结合。同时，还发现Pt/GaN界面的Pt-Ga位点对水解离非常有利，能量变化为-0.67 eV。
与在Pt(111)上的水解离相比，在Pt-Ga位点上的水解离得益于不对称的原子环境，有利于H-OH键的异质性断裂形成Pt-H和Ga-OH，*H自发地到邻近的Pt原子，ΔE为-0.15 eV。
因此，Pt/GaN界面的水分解所引起的总能量变化为-0.81 eV。在中性pH或弱碱性溶液中，海水在Pt/GaN/Si上的高活性很可能是由于Pt-Ga位点的有效水分解所致。
有趣的是，Pt(111)和Pt-Ga位点之间的水解离能差为1.53 eV，类似于Pt/Si和Pt/GaN/Si电极之间的过电位差(1.58 V)，表明Pt-Ga位点在Pt/GaN界面对于实现高效的水分解的重要性。这项工作为设计高效、稳定、节能的海水电解制氢催化剂提供了有价值的指导。
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Pt nanoclusters on GaN nanowires for solar-asssisted seawater hydrogen evolution, Nature Communications, 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-35782-z.
https://www.nature.com/articles/s41467-023-35782-z.

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/12/b18d555bd5/

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