Energist 能源學人 2021-6-15
【研究背景】
在眾多清潔能源電化學轉換裝置中，氧還原反應（ORR）和析氫反應（HER）是最要的電催化反應之一，在燃料電池、水電解制氫及可再生燃料電池（RFC）等能量轉換裝置中發揮著關重要的作用。但該類型電催化反應需要用到貴金屬鉑（Pt）作為催化劑，因此如何提高Pt的催化效率并降低其用量成為目前研究的難點和熱點。與通過傳統形貌-結構控制、合金和載體工程提高Pt催化效率的路徑不同，本項研究基于Pt位點與金屬-有機框架（MOFs）衍生材料中Co單原子位點間的強相互作用，利用Co單原子位點來隔離Pt物種來改善Pt的分散性及顆粒尺寸分布，以達到提高Pt催化效率和降低Pt用量的目的。
【工作介紹】
近日，武漢理工大學木士春課題組利用兩步法，即先合成由ZnCo-ZIF衍生的Co SAs-ZIF-NC，然后進行Pt NPs負載得到Pt@Co SAs-ZIF-NC催化劑。利用SEM，STEM，HAADF-STEM，XRD，XPS等表征手段對Co單原子位點對Pt的隔離、分散及粒徑優化等作用進行了詳致表征，證明采用我們提出的方法可以使Pt NPs以均勻的尺寸高度分散在富含Co單原子的碳質基體上。電化學測試結果表明，獲得的催化劑在酸性條件下展現了優異的ORR和HER活性和穩定性，且質量活性和比活性也遠優于商業Pt/C。該研究論文以”Cobalt single atom site isolated Pt nanoparticles for efficient ORR and HER in acid media”為題目在線發表在國際頂級能源期刊Nano Energy上(DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106221)。碩士生梁律晗和博士生晉慧慧為本文共同第一作者。
【內容表述】本文設計的ORR和HER雙功能催化劑Pt@Co SAs-ZIF-NC結合了SAs-ZIF-NC的結構優勢以及Co單原子位點和Pt NPs在性能上的優勢。利用鈷（Co）單原子位點對Pt的隔離作用、Co單原子與Pt之間的強相互作用以及多孔碳基質衍生的金屬有機骨架的限制，成功地將Pt NPs 均勻地固定在由ZnCo-ZIF衍生的富含Co單原子的多孔氮摻雜碳基質（Co SAs-ZIF-NC）上。與對比樣Pt@ZIF-NC、Pt@Co ZIF-NC和商業 Pt/C 催化劑相比，Pt@Co SAs-ZIF-NC具有低的Pt載量和理想的尺寸分布，不僅增加了活性中心類型及活性位點數量，而且還促進了其催化動力學，最終實現了酸性條件下高效的ORR和HER催化。
電化學測試結果表明，在酸性條件下，該催化劑的ORR的半波電位達到了0.917 V，且在0.9 V和0.85 V處的質量活性和比活性均為Pt/C的3倍和6倍，此外還展現出優異的穩定性。在進行HER測試時，Pt@Co SAs-ZIF-NC僅需要27 mV過電位即可驅動10 mA cm-2電流密度，遠好于Pt/C、Pt@Co ZIF-NC和Pt@ZIF-NC，并且表現出出色的電化學動力學進程和質量活性及穩定性。進一步，其在海水的HER測試中也顯示出優于Pt/C的活性。
Lvhan Liang, Huihui Jin, Huang Zhou, Bingshuai Liu, Chenxi Hu, Ding Chen, Zhe Wang, Zhiyi Hu, Yufeng Zhao, Hai-Wen Li, Daping He, Shichun Mu, Cobalt single atom site isolated Pt nanoparticles for efficient ORR and HER in acid media, Nano Energy, 2021, DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106221
作者簡介：
木士春，武漢理工大學首席教授。長期致力于碳基納米材料、氫燃料電池和電解水催化劑的應用基礎研究。目前，以第一作者或通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy. Environ. Sci.、Adv, Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano、Nano Energy、ACS Catal.、ACS Energy Lett.等國內外權威期刊上發表200余篇高質量SCI學術論文，論文他引1萬余次。申請國家發明專利102件，其中授權84件。
何大平，武漢理工大學教授，英國皇家學會牛頓學者，湖北省楚天學子，湖北省青年英才。研究方向為納米復合材料的制備與應用，特別是新型石墨烯材料的合成與結構調控、貴金屬納米材料的界面設計、以及貴金屬與石墨烯復合型材料在新能源設備、傳感器、射頻微波領域的應用。目前已在Nat. Commun.、J.Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等國際知名期刊上發表學術論文80余篇，論文他引次數為2400余次，申請國家發明專利19件。