研究背景

电解水是一种很有前途的生产氢气(H₂)的方法。对于析氢反应（HER）而言，Pt因其吸附H中间体（ΔG_H*）的吉布斯自由能接近于零且具有最佳的反应活性而位于“火山曲线”的顶部，因此Pt被认为是HER的基准催化剂。然而，Pt的高成本和自然稀缺性限制了其商业化应用。为了提高Pt材料在HER领域的竞争力，开发高活性、低铂负载的高性价比铂基电催化剂是当务之急。此外，通过将具有高催化活性的贵金属与普通的底物载体结合，形成的金属-载体相互作用（MSI）系统，在一定程度上能够调节材料的催化活性。对于负载Pt材料而言，MSI系统的形成能够实现Pt物质的最大暴露，极大地发挥Pt原子的优势。

文章要点

在这项工作中，作者利用一种简单可控的低温固液反应 “铂化”策略，成功地将 Pt^δ+掺杂到了具有的富电子特性的载体中。利用具有富电子位点的无机或有机化合物（Co₃O₄、COF、NiO、CeO₂ 等）作为支撑基底，合成了一系列催化剂（Pt/X），并探索了它们的电催化性能。在这些 Pt/X 催化剂中， Pt/Co₃O₄ 和 Pt/COF 表现出出色的催化活性。得益于界面 Pt^δ+/富电子位点的协同效应，超低 Pt^δ+ 负载的 Pt/Co₃O₄ 和 Pt/COF 分别显示出 21 mV 和 23 mV 的超小过电位，并且在 1 M KOH 中，电流密度为 10 mA cm^-2 时具有极佳的稳定性。令人惊讶的是，铂含量仅为 0.63 wt% 的 Pt/Co₃O₄ 在 500 mV 的过电位下可提供 348 mA cm^-2 的超高工业相关电流密度，是铂含量为 20 wt% 的商用 Pt/C 的 3.22 倍，实现了真正意义上的低铂负载和高铂利用率。密度泛函理论（DFT）计算结果表明，Pt/ Co₃O₄和Pt/COF中的Pt^δ+/富电子位点优化了氢吸附的自由能，提高了催化剂在碱性介质中的HER性能。这项工作为高效电催化剂的设计和开发提供了一条新的途径。

图文展示

图1. 材料的制备及微观结构表征。

图2. 电催化HER性能。

图3. 电化学拉曼测试。

图4. 配位和氧化态的表征。

图5. DFT计算。

本工作以“Inducing a Synergistic Effect on Pt^δ+/Electron-Rich Sites via a Platinization Strategy: Generating Hyper-High Current Density in Hydrogen Evolution Reaction”为题发表在国际知名区期刊《Nano Letters》上。其中西南交通大学化学学院2021级硕士研究生汪珊珊和2022级硕士研究生赵芹为共同第一作者，西南交通大学化学学院张颜博士、材料科学与工程学院冯庆国教授和中国科学院重庆绿色智能技术研究院方玲副研究员为共同通讯作者。该项工作在清华大学李亚栋院士和王定胜教授的指导下完成，得到了中央高校基本科研业务费专项资金(2682024ZTPY016和2682023ZTPY064)和国家自然科学基金(u22a20120,22171157和52370057)的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03031