武汉理工木士春课题组：钴单原子位点隔离的铂纳米颗粒催化剂及在酸性条件下的氧还原和析氢反应性能

【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。