AEM: 原子分散过渡金属位点的Pt配位工程实现高析氢活性

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【导读】

氢气作为一种可再生的绿色燃料，在缓解迫在眉睫的能源和环境方面发挥着至关重要的作用。铂（Pt）因其过电位低、动力学快等优点，被广泛认为是析氢反应（HER）的最佳电催化剂。不幸的是，贵金属的稀缺性和高成本阻碍了其大规模应用。近年来，金属单原子催化剂（SAs）因其最大原子效率和配位环境可调等优点在HER中得到了广泛的研究。根据密度泛函理论（DFT）计算发现构建双金属位点和引入外部配体能够调节SAs的电荷密度以及d轨道态，同时也能加深对结构-活性关系的理解。然而，设计SAs和多原子（MAs）的不同配位结构的电催化剂仍然是一个挑战。

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【成果掠影】

近日，蔚山科学技术院Kwang S. Kim教授等人成功合成由负载在钒（V）和氮（N）共掺杂的碳（VNC）（表示为Pt@VNC）表面上的Pt-SAs、Pt-Pt/V双原子和小簇组成的原子分散催化剂。Pt@VNC展现出非凡的HER催化活性和稳定性。相关的研究成果以“Engineering Pt Coordination Environment with Atomically Dispersed Transition Metal Sites Toward Superior Hydrogen Evolution”为题发表在Advanced Energy Materials上。

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【核心创新点】

1、作者通过原子尺度工程策略成功实现由V和N共掺杂碳载体来调整单原子、双原子和簇的Pt基催化剂的配位结构。

2、基于单原子和团簇的协同效应，Pt@VNC显示出优异的HER催化效率和稳定的耐久性。在10 mA cm^-2的电流密度下，它只需要5 mV的过电势。并且显示出比商业20 wt % Pt/C催化剂约大15倍的质量活性。

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【数据概览】

图1 材料的形态和结构表征。a) VNC和Pt@VNC的HAADF-STEM图像，b) VNC和(f) Pt@VNC的HRTEM图像，c) 四种催化剂的XRD图谱，d) 在V k-edge催化剂的归一化XANES。e) Pt-V配对用黄色虚线框表示，Pt-Pt配对用绿色虚线框表示，Pt-V - Pt三原子用红色虚线框表示。© 2023 Wiley

图2 使用XPS, XANES和EXAFS进行结构表征。a) Pt@NC和Pt@VNC的Pt 4f XPS光谱，b) VNC和Pt@VNC的V 2p XPS光谱，c) Pt@VNC和Pt@NC的Pt L₃-edge以及d) VNC和Pt@VNC的V K-edge 归一化 XANES, Pt@VNC e) Pt L₃-edge和(f) V K-edge的EXAFS拟合结果。© 2023 Wiley

图3 催化剂对HER的电化学性能。a) VNC、Pt@NC、Pt@VNC和20 wt% Pt/C的HER极化曲线，b) Pt@NC、Pt@VNC和20 wt.% Pt/C三种催化剂在过电位为20 mV时的质量活度，C)三种催化剂的Tafel图。d) Pt@VN在−27 mV vs RHE(无iR补偿)下记录40 h的计时电流曲线。© 2023 Wiley

图4 a)吸附在不同活性位点上的氢的结构图，b) η HER (HER的过电位)作为ΔGH*（ηHER =−|ΔGH*|）的函数火山图， c) V₂O₅(001)和d) Pt₁₃-V₂O₅的态密度(DOS)。© 2023 Wiley

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【成果启示】

综上所述，作者通过Pt SAs和MAs嵌入V和N掺杂的石墨碳中,成功调节Pt的配位结构，促进Pt簇和Pt-Pt/V双SA的形成。这种新颖的催化剂设计策略可用于修改其他贵金属 SA或团簇的电子结构。另外，也为通过优化金属原子的配位结构来实现最大化催化效率铺平了道路。

原文详情：https://doi.org/10.1002/aenm.202204213

本文由K . L撰稿。

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