氫氣是一種理想的零碳能源載體，在未來可持續(xù)發(fā)展社會中具有重要戰(zhàn)略地位。作為一種必不可少的制氫技術(shù)，可再生能源驅(qū)動的電解水制氫技術(shù)迫切需要高效的電催化劑來降低析氫反應(yīng)（HER）過電位以提高能量轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)典鉑碳催化劑對氫中間體有最優(yōu)的吸附作用，確保了在酸性HER反應(yīng)中低的過電位和快速的反應(yīng)動力學(xué)過程。然而，在長期催化過程中金屬納米顆粒的團聚和溶解會導(dǎo)致催化活性和穩(wěn)定性的迅速下降。
相比之下，堿性電解水制氫因其反應(yīng)物來源廣泛、制造安全性好、產(chǎn)量穩(wěn)定、產(chǎn)品純度高而受到工業(yè)界的青睞。然而，受限于堿性介質(zhì)中H+離子濃度較低，HER 的引發(fā)需要水分子的大量解離，導(dǎo)致其反應(yīng)速率通常比酸性介質(zhì)中降低兩到三個數(shù)量級。為了應(yīng)對 Pt 基催化劑相關(guān)的挑戰(zhàn)，應(yīng)該進(jìn)一步提升碳載體和合金成分的設(shè)計，從而增強在其酸性介質(zhì)中的穩(wěn)定性和在堿性介質(zhì)中的動力學(xué)過程。
近日，新加坡南洋理工大學(xué)的樓雄文教授團隊設(shè)計并發(fā)展了一種金屬有機骨架輔助的熱解-置換-重組策略，用于在具有封閉末端的多孔氮摻雜碳納米管內(nèi)外層鑲嵌亞10納米級的超小Pt-Co納米合金（Pt-Co@NCNT）。由于合金化作用帶來的電子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和金屬-載體的強相互作用，所獲得的 Pt3Co@NCNT 電催化劑在酸性和堿性介質(zhì)中均表現(xiàn)出對 HER 的超高活性和超長穩(wěn)定性。在熱重組過程中，Pt-Co 納米合金向碳納米管內(nèi)外表面遷移，確保了活性位點的最大暴露，同時保持了與多孔碳基質(zhì)的牢固附著。密度泛函理論（DFT）計算表明，Pt3Co對于氫中間體的吸附自由能接近熱力學(xué)中性，并且合金化作用產(chǎn)生了多樣化的活性位點，從而極大地提升了析氫反應(yīng)的本征活性。同時，經(jīng)過設(shè)計的多孔碳?xì)そY(jié)構(gòu)主體可防止超小 Pt3Co納米顆粒的聚集，從而確保長期耐久性。 該工作對電催化劑的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了新型設(shè)計，為精準(zhǔn)控制碳載體中合金納米顆粒的組成與空間分布提供新思路，進(jìn)一步提高了合金在能源相關(guān)領(lǐng)域的利用效率和穩(wěn)定性。 論文信息： Engineering Pt-Co Nano-alloys in Porous Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes for Highly Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution Song Lin Zhang, Xue Feng Lu, Zhi-Peng Wu, Deyan Luan, Xiong Wen (David) Lou* 文章第一作者是南洋理工大學(xué)博士生Song Lin Zhang，通訊作者為南洋理工大學(xué)樓雄文教授。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202106547
