Energist 能源学人 2021-6-15
【研究背景】
在众多清洁能源电化学转换装置中，氧还原反应（ORR）和析氢反应（HER）是最要的电催化反应之一，在燃料电池、水电解制氢及可再生燃料电池（RFC）等能量转换装置中发挥着关重要的作用。但该类型电催化反应需要用到贵金属铂（Pt）作为催化剂，因此如何提高Pt的催化效率并降低其用量成为目前研究的难点和热点。与通过传统形貌-结构控制、合金和载体工程提高Pt催化效率的路径不同，本项研究基于Pt位点与金属-有机框架（MOFs）衍生材料中Co单原子位点间的强相互作用，利用Co单原子位点来隔离Pt物种来改善Pt的分散性及颗粒尺寸分布，以达到提高Pt催化效率和降低Pt用量的目的。
【工作介绍】
近日，武汉理工大学木士春课题组利用两步法，即先合成由ZnCo-ZIF衍生的Co SAs-ZIF-NC，然后进行Pt NPs负载得到Pt@Co SAs-ZIF-NC催化剂。利用SEM，STEM，HAADF-STEM，XRD，XPS等表征手段对Co单原子位点对Pt的隔离、分散及粒径优化等作用进行了详致表征，证明采用我们提出的方法可以使Pt NPs以均匀的尺寸高度分散在富含Co单原子的碳质基体上。电化学测试结果表明，获得的催化剂在酸性条件下展现了优异的ORR和HER活性和稳定性，且质量活性和比活性也远优于商业Pt/C。该研究论文以”Cobalt single atom site isolated Pt nanoparticles for efficient ORR and HER in acid media”为题目在线发表在国际顶级能源期刊Nano Energy上(DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106221)。硕士生梁律晗和博士生晋慧慧为本文共同第一作者。
【内容表述】本文设计的ORR和HER双功能催化剂Pt@Co SAs-ZIF-NC结合了SAs-ZIF-NC的结构优势以及Co单原子位点和Pt NPs在性能上的优势。利用钴（Co）单原子位点对Pt的隔离作用、Co单原子与Pt之间的强相互作用以及多孔碳基质衍生的金属有机骨架的限制，成功地将Pt NPs 均匀地固定在由ZnCo-ZIF衍生的富含Co单原子的多孔氮掺杂碳基质（Co SAs-ZIF-NC）上。与对比样Pt@ZIF-NC、Pt@Co ZIF-NC和商业 Pt/C 催化剂相比，Pt@Co SAs-ZIF-NC具有低的Pt载量和理想的尺寸分布，不仅增加了活性中心类型及活性位点数量，而且还促进了其催化动力学，最终实现了酸性条件下高效的ORR和HER催化。
电化学测试结果表明，在酸性条件下，该催化剂的ORR的半波电位达到了0.917 V，且在0.9 V和0.85 V处的质量活性和比活性均为Pt/C的3倍和6倍，此外还展现出优异的稳定性。在进行HER测试时，Pt@Co SAs-ZIF-NC仅需要27 mV过电位即可驱动10 mA cm-2电流密度，远好于Pt/C、Pt@Co ZIF-NC和Pt@ZIF-NC，并且表现出出色的电化学动力学进程和质量活性及稳定性。进一步，其在海水的HER测试中也显示出优于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
作者简介：
木士春，武汉理工大学首席教授。长期致力于碳基纳米材料、氢燃料电池和电解水催化剂的应用基础研究。目前，以第一作者或通讯作者在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.等国内外权威期刊上发表200余篇高质量SCI学术论文，论文他引1万余次。申请国家发明专利102件，其中授权84件。
何大平，武汉理工大学教授，英国皇家学会牛顿学者，湖北省楚天学子，湖北省青年英才。研究方向为纳米复合材料的制备与应用，特别是新型石墨烯材料的合成与结构调控、贵金属纳米材料的界面设计、以及贵金属与石墨烯复合型材料在新能源设备、传感器、射频微波领域的应用。目前已在Nat. Commun.、J.Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际知名期刊上发表学术论文80余篇，论文他引次数为2400余次，申请国家发明专利19件。