多孔碳片负载亚 3 nm PtNi 纳米粒子，用于HER和氢化的双功能材料学术资讯

来源：X一MOL资讯

近年来由于化石燃料燃烧所引发的能源危机和环境问题，促使科学家们做出了许多的努力去探索可持续能源。电化学分解水制备H2（HER）就是其中很重要的一种手段。然而，H2在热力学上受到氢原子结合能的阻碍。因此，学术界一直在探索高效、可持续的HER催化剂，以此来降低过电位η，加快反应速率，在可持续的制H2过程中产生更小的能耗。

到目前为止，铂和铂基的材料由于活性高，过电位小和稳定性好，被认为是最有效的HER催化剂。然而，其稀缺性和高成本大大阻碍了它们的广泛应用。通过贵金属与过渡金属合金的形式可以提供更强的电催化活性和其稳定性，这也可以显著降低贵金属的含量，节约成本。尽管已经有很多研究组报道了双金属或三金属合金的制备，并研究了其在催化方面等的应用，但大多数催化剂制备工艺复杂，产率低，铂负载量较大。因此，高活性且低铂负载量的HER电催化剂且同时具有制备方法简单环保、产量大特点的仍然是一个挑战。

最近，东北大学化学系孙宏滨课题组和清华大学化学系梁琼麟课题组合作设计合成了多孔碳片负载亚 3 nm PtNi 纳米粒子的催化剂（PtNi2@CNS-600），其具有超低Pt含量（0.074% wt%），该方法不仅制备简便、规模大，而且所得材料具有均匀分布的超精细颗粒，在析氢反应（HER）和氢化反应（Hydrogenation）均具有优异的性能。文章第一作者为东北大学硕士生李季帆和清华大学在读博士生刘磊。

图1. 催化剂制备流程。

图2. 催化剂的结构表征。 (a) PtNi2@CNS-600的TEM图像，(b) HRTEM图像，(c) XRD图像。2b图中嵌入的是SAED图像。

从图2可以看到这种简单且大批量制备的催化剂，其小于3 nm的纳米粒子均匀分布在碳纳米片上，且通过晶格条纹、选区电子衍射图以及XRD可以证明铂镍以合金形式存在。

图3. 催化剂的电化学及催化性能表征。(a) PtNi2@CNS-600的HER极化曲线, (b)稳定性测试，(c) 对硝基酚催化加氢性能。

在HER测试条件下，Pt的负载量仅为0.612 μg Pt/cm2，当电流密度为 10 mA cm-2时，过电位仅为68 mV，同时它还显示出更优良的长期电化学耐久性，在2000圈循环前后，其曲线几乎没有负移，且在持续30小时条件下，电流变化可忽略不计。此外，经相同的制备方法，将催化剂的Pt负载量扩大至2.88%（mPtNi2@CNS-600），其所含金属颗粒仍小于3 nm，并且该催化剂在常温常压下对对硝基苯酚的加氢反应表现出较强的催化活性，仅在5.5 h即可完成，通过此反应也可以证明该催化剂的HER过程是通过Volmer-Tafel（Had+ Had = H2）路径完成的。

相关工作以Hot Paper的形式发表在Chem. Eur. J. 杂志上。

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