面向世界科技前沿 | 浙工大青年科学家汪鑫在电催化制氢方面取得新进展

氢（H₂）是一种能量密度高、零排放的可再生能源载体，在环境污染日益严重、能源危机日益严重的情况下，可以作为传统化石燃料的替代品。利用可再生能源（如风能和太阳能）发电将水电解成氢气是高效生产高纯度绿色氢的最具可持续性的方法之一。然而，阴极Pt基催化剂的高价格和稀缺性严重限制了其大规模应用，其主要的挑战在于如何协调Pt的高负载和低原子利用率之间的冲突。在负载型催化剂中，活性基团的大小很大程度上取决于底物的性质。对于基于Pt的单原子或团簇型催化剂，载体应具有丰富的锚定位点，以确保充分的相互作用来稳定分散Pt。此外，支撑材料可以通过电子金属-支撑相互作用（EMSI）来调节负载Pt的电子结构，从而提高HER活性。因此，在合适的衬底材料中创建捕获点对于制备高性能低铂HER催化剂至关重要。

鉴于此，浙江工业大学化学工程学院青年科学家汪鑫利用5-10 nm具有丰富表面台阶缺陷的TiO₂纳米颗粒通过Pt-O-Ti连接来指导Pt-ACs的均匀锚定，形成高活性HER催化剂。Pt-ACs/S-TiO₂-NP催化剂由于具有独特的Pt台阶位而表现出优异的HER活性，在过电位为50 mV时，其质量活性和转换频率（TOF）分别高达21.46 A mg _Pt ^-1和21.69 s^-1，远远超过了基准Pt/C催化剂和其他台阶位较少的Pt-ACs/TiO₂样品。与点缺陷捕获Pt单原子催化剂相比，该催化剂的优越性能说明了高维缺陷捕获原子策略的优越性。实验表征和理论计算表明，界面处的台阶缺陷Pt-O-Ti位点可以加速电子从TiO₂衬底转移到所支持的Pt ACs，并使d带中心下移，从而促进质子还原为H*中间体和随后的氢脱附，从而提高HER性能。因此，该研究为基于高维缺陷的原子配位策略的发展，提高低金属负载电催化剂的HER催化性能提供了有价值的指导。

催化剂合成示意图

电催化剂析氢性能研究

该成果以“Engineering Interfacial Pt-O-Ti Site at Atomic Step Defect for Efficient Hydrogen Evolution Catalysis”为题于2023年12月14日发表于国际刊物《Small》。浙江工业大学为第一完成单位，第一作者为汪磊老师，通讯作者为汪鑫研究员。该工作得国家自然科学基金（22275165, 22101254）、浙江省自然科学基金（LQ20E030013）等项目的支持。

原文链接

https://doi.org/10.1002/smll.202309791

学者介绍

汪鑫，浙江工业大学特聘研究员，博士生导师，运河青年学者。主要研究领域为缺陷电催化基础研究与产业化，包括缺陷基催化材料的精准设计合成及能源转换新技术开发。近年主持国家自然科学基金面上项目和青年项目各1项、浙江工业大学人才引进项目1项。共发表SCI论文近40篇，包括Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci.等杂志，其中ESI高被引论文6篇，论文总引次数近3000次，h-index为22 (Google Scholar)。授权中国专利1项。研究成果多次被科技媒体和高影响力杂志正面报道和引用。

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来源 | 化工学院排版 | 林涵莹编辑 | 许维婷审核 | 王剑斌 陈微微