AEM: 原子分散過渡金屬位點的Pt配位工程實現高析氫活性

一、【導讀】

氫氣作為一種可再生的綠色燃料，在緩解迫在眉睫的能源和環境方面發揮著至關重要的作用。鉑（Pt）因其過電位低、動力學快等優點，被廣泛認為是析氫反應（HER）的最佳電催化劑。不幸的是，貴金屬的稀缺性和高成本阻礙了其大規模應用。近年來，金屬單原子催化劑（SAs）因其最大原子效率和配位環境可調等優點在HER中得到了廣泛的研究。根據密度泛函理論（DFT）計算發現構建雙金屬位點和引入外部配體能夠調節SAs的電荷密度以及d軌道態，同時也能加深對結構-活性關系的理解。然而，設計SAs和多原子（MAs）的不同配位結構的電催化劑仍然是一個挑戰。

二、【成果掠影】

近日，蔚山科學技術院Kwang S. Kim教授等人成功合成由負載在釩（V）和氮（N）共摻雜的碳（VNC）（表示為Pt@VNC）表面上的Pt-SAs、Pt-Pt/V雙原子和小簇組成的原子分散催化劑。 Pt@VNC展現出非凡的HER催化活性和穩定性。相關的研究成果以“Engineering Pt Coordination Environment with Atomically Dispersed Transition Metal Sites Toward Superior Hydrogen Evolution”為題發表在Advanced Energy Materials上。

三、【核心創新點】

1、作者通過原子尺度工程策略成功實現由V和N共摻雜碳載體來調整單原子、雙原子和簇的Pt基催化劑的配位結構。

2、基于單原子和團簇的協同效應，Pt@VNC顯示出優異的HER催化效率和穩定的耐久性。在10 mA cm^-2的電流密度下，它只需要5 mV的過電勢。并且顯示出比商業20wt % Pt/C催化劑約大15倍的質量活性。

四、【數據概覽】

圖1?材料的形態和結構表征。a) VNC和Pt@VNC的HAADF-STEM圖像，b) VNC和(f) Pt@VNC的HRTEM圖像，c) 四種催化劑的XRD圖譜，d) 在V k-edge催化劑的歸一化XANES。e) Pt-V配對用黃色虛線框表示，Pt-Pt配對用綠色虛線框表示，Pt-V - Pt三原子用紅色虛線框表示。? 2023 Wiley

圖2?使用XPS, XANES和EXAFS進行結構表征。a) Pt@NC和Pt@VNC的Pt 4f XPS光譜，b) VNC和Pt@VNC的V 2p XPS光譜，c) Pt@VNC和Pt@NC的Pt L₃-edge以及d) VNC和Pt@VNC的V K-edge 歸一化 XANES, Pt@VNC e) Pt L₃-edge和(f) V K-edge的EXAFS擬合結果。? 2023 Wiley

圖3?催化劑對HER的電化學性能。a) VNC、Pt@NC、Pt@VNC和20 wt% Pt/C的HER極化曲線，b) Pt@NC、Pt@VNC和20 wt.% Pt/C三種催化劑在過電位為20 mV時的質量活度，C)三種催化劑的Tafel圖。d) Pt@VN在?27 mV vs RHE(無iR補償)下記錄40 h的計時電流曲線。? 2023 Wiley

圖4 a)吸附在不同活性位點上的氫的結構圖，b) η HER (HER的過電位)作為ΔGH*（ηHER =?|ΔGH*|）的函數火山圖， c) V₂O₅(001)和d) Pt₁₃-V₂O₅的態密度(DOS)。? 2023 Wiley

五、【成果啟示】

綜上所述，作者通過Pt SAs和MAs嵌入V和N摻雜的石墨碳中,成功調節Pt的配位結構，促進Pt簇和Pt-Pt/V雙SA的形成。這種新穎的催化劑設計策略可用于修改其他貴金屬 SA或團簇的電子結構。另外，也為通過優化金屬原子的配位結構來實現最大化催化效率鋪平了道路。

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原文詳情：https://doi.org/10.1002/aenm.202204213

本文由K . L撰稿。