中科院在水電解製氫低/非Pt催化劑研究上取得新進展

根據中國科學院消息，缺乏取代Pt基與低Pt型(xing)高(gao)性(xing)價(jia)比(bi)析(xi)氫(qing)催(cui)化(hua)劑(ji)是(shi)幾(ji)十(shi)年(nian)來(lai)困(kun)擾(rao)水(shui)電(dian)解(jie)製(zhi)氫(qing)的(de)商(shang)業(ye)化(hua)應(ying)用(yong)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)。電(dian)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)是(shi)實(shi)現(xian)工(gong)業(ye)化(hua)廉(lian)價(jia)製(zhi)備(bei)氫(qing)氣(qi)的(de)重(zhong)要(yao)手(shou)段(duan)。電(dian)解(jie)水(shui)過(guo)程(cheng)包(bao)含(han)析(xi)氫(qing)和(he)析(xi)氧(yang)兩(liang)個(ge)半(ban)反(fan)應(ying)
，其(qi)中(zhong)由(you)於(yu)析(xi)氧(yang)反(fan)應(ying)過(guo)程(cheng)在(zai)動(dong)力(li)學(xue)上(shang)的(de)困(kun)難(nan)性(xing)成(cheng)為(wei)了(le)電(dian)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)的(de)瓶(ping)頸(jing)。目(mu)前(qian)商(shang)用(yong)的(de)析(xi)氧(yang)催(cui)化(hua)劑(ji)主(zhu)要(yao)為(wei)IrO2和RuO2dengguijinshu，qigaoangdejiagehexiyoudechuliangzhiyuelezheyiguochengdefazhan，xunzhaojiagedilianhechuliangfengfudefeiguijinshucuihuajichengweijinnianlaiyanjiuderedian。muqiandenandianzaiyu：quefatongshijiejuecuihuajibenzhenghuoxing，huoxingweidianmidu
，daodianxinghewendingxingwentidecelve。zhiyoudangdianzidaodianxing，huoxingweidianmidu
，benzhenghuoxinghewendingxingwentitongshidedaojiejueshi
，di/非Pt催化劑才能實現在HER催化上的真正應用。

近日
，中國科學院長春應用邢巍研究員課題組，聯合上海光源和東南大學對MoS2析氫體係進行了聯合攻關，開創了自發界麵氧化還原摻雜法，以低量的鈀原子活化二硫化鉬（MoS2）惰性表麵，最終獲得了兼具低成本
、高效率的穩定HER催化材料。Pd在摻雜後取代Mo位，同時引入了硫空位並誘導MoS2相變，進而生成穩定的1T結構。

Pd自發摻雜MoS2的機製探索

理論計算表明，位於鈀位點旁邊的硫原子

，表現出了低的氫吸附能（ΔGH=-0.02eV）。最終隻摻雜1wt％鈀的MoS2
，表現出超低的析氫過電位（10mA·cm-2對應的過電位僅78mV）和高的交換電流密度（805μA·cm-2），同時還具有良好的穩定性，使其具有替代商業Pt/C的可能。目前，該催化劑具有文獻報道的雜原子摻雜的MoS2基材料中最高HER性能。該進展發表在Nature Communications上
，Chemically activating MoS2 via spontaneous atomic palladium interfacial doping towards efficient hydrogen evolution（Nature Communications，2018，1，9
，2120 ）

合成出的超低載量Pt催化劑的結構與性能

在低Pt催化劑方麵，該課題組在近期研究了表麵Pt富集的PtRu納米粒子，其中PtRu部分嵌入碳球表層形成高效的析氫催化劑。利用聚合反應，通過優化前軀體的加入時間（6h最佳）得到了部分鑲嵌到酚醛樹脂碳球中的PtRu合金（PtRu@RFCS-6h）
，在高溫還原氣氛下PtRu合金表麵上優先析出Pt，形成粒徑較小的Pt納米團簇，這種催化劑在保證結構穩定的前提下提供了大量的Pt催化活性位。實驗表明，在0.5MH2SO4體係中PtRu@RFCS-6h催化劑HER過電位（19.7mV和43.1mV分別在10和100mA·cm-2電流密度下）、TOF（4.03H2s-1）、Tafel斜率（27.2mVdec-1）以及穩定性等性能均優於商用Pt/C催化劑。分析結果表明
，PtRu合金表麵富集的痕量Pt納米團簇能夠有效地降低H的吸附能並利於水合質子的解離。此外
，催化劑的製備工藝簡單
，貴金屬Pt的負載量比商用Pt/C催化劑少99.9%，成本隻有商用Pt/C催化劑的2%，為替代商用Pt/C提供了可能。該項成果發表在Energy& Environmental Science，題目為Enhanced electrocatalytic performance for hydrogen evolution reaction through surface enrichment of platinum nanocluster alloying with ruthenium in-situ embedded in carbon（Energy &Environmental Science，2018，5, 11,1232-1239 ）