【催化】光辅助电沉积海胆状Te模板实现高效贵金属析氢

内容来源“AdvancedScienceNews ”← 关注它

贵金属Pt是HER最高效的析氢催化剂，但其储量少、价格昂贵限制了其应用。近年来，研究者们做了一些工作去降低贵金属的载量。例如，通过构建超薄的贵金属壳发展核壳结构用于降低贵金属载量。在这样的分级结构中，核往往起到了模板的作用，不仅能够降低贵金属的载量，而且惰性模板还能提升催化剂的稳定性。

图1.（a，b）为PsS基底上无光电沉积得到的麦穗状Te；（c，d）为PsS基底上有光电沉积的海胆状Te的SEM图像

图2.a为催化剂的合成过程。（b，e，h）分别为催化剂Pt@Te-PsS、Au@Te-PsS和Rh@Te-PsS的SEM图像。（c）Pt，（f）Au，（i）Rh，（d，g，j）Te的EDS mapping

着眼于此，西北大学杨逢春课题组报道了海胆状Te模板用于大幅降低贵金属(Pt, Au, Rh)的载量。该课题组首次采用P3HT和s-SWNTs组成的异质结为光辅助电沉积的基底制备了海胆状Te模板，再通过化学置换法进一步负载痕量的贵金属(Pt,Au and Rh)。

SEM和EDS mapping测试结果表明贵金属在负载上去之后，Te的海胆状形貌没有发生改变，且贵金属元素的分布很均匀。

ICP测试表明贵金属的载量非常低，分别为Pt（0.75 wt%）, Au（0.61 wt%）和Rh（0.12 wt%）。XPS测试结果表明，相比海胆状Te模板，贵金属负载之后Te结合能发生了右移，这是由于Te上电子偏移至Te和贵金属的界面，增大了界面的电子云密度，促进了对H⁺的吸附。

 图3. a为催化剂Pt@Te-PsS、Au@Te-PsS和Rh@Te-PsS的XPS全谱图，b为Pt@Te-PsS、Au@Te-PsS、Rh@Te-PsS和Te-PsS的Te的XPS高分辨谱图

 图4.a为催化剂的极化曲线；b为催化剂的Tafel斜率；c为催化剂的EIS曲线；d为催化剂的C_dl

图5. 20% Pt/C、Pt@Te-PsS、Au@Te-PsS和Rh@Te-PsS的质量活性

在酸性析氢的测试中，Pt@Te-PsS表现出优异的析氢催化性能，在46mV时电流密度就能达到10 mA cm^-2，且Au@Te-PsS和Rh@Te-PsS的过电势也较小。Pt@Te-PsS的Tafel斜率（24 mV dec^-1）比20% Pt/C（33 mV dec^-1）还要低，这表明其析氢过程为Volmer-Tafel机理，决速步为Tafel反应。

除此之外，Pt@Te-PsS优异的催化性能还源于海胆状Te模板增大了贵金属的质量活性，Pt@Te-PsS比20% Pt/C的质量活性高了接近十倍，Au@Te-PsS和Rh@Te-PsS的质量活性也均比20% Pt/C的高。在13000 s的稳定性测试中，Pt@Te-PsS的稳定性明显好于20% Pt/C。

这些结果表明，海胆状Te模板不仅为析氢提供了非富的比表面积和活性位点，提高了贵金属的质量活性，而且分级结构内部发生电子偏移，有利于H⁺的吸附，同时惰性的Te模板提升了催化剂的稳定性。该研究为分级催化剂的构建提供了新思路，也为有效降低贵金属载量提供了参考方法。

Bai L, Li Y, Zhao J, et al. Highly Efficient Utilization of Precious Metals for Hydrogen Evolution Reaction with Photo‐assisted Electro‐deposited Urchin‐like Te Nanostructure as a Template[J]. ChemCatChem.