氫氣具有高能量密度和產(chǎn)物無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是傳統(tǒng)化石燃料的很有前景的替代品。電解水是一種清潔、便捷的制氫技術(shù)，但電解水需要高性能的催化劑來(lái)加速陰極的析氫反應(yīng)(HER)，尤其是在較寬的pH范圍內(nèi)。目前，Pt基材料被認(rèn)為是最先進(jìn)的HER催化劑，但由于其較弱的水解離和較強(qiáng)的Pt-H_ad強(qiáng)度，大多數(shù)Pt基材料需要經(jīng)歷緩慢的Volmer步驟和較差的H脫附。令人難過(guò)的是，提高鉑基催化劑的HER本征活性仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在較寬的pH范圍內(nèi)。

基于此，廣西大學(xué)尹詩(shī)斌等人利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)、CeO₂和W的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)制備了PtCoW@CeO₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑，該催化劑可以加速水的解離，改善OH_ad的脫附，在較寬的pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出高效的HER性能。

本文研究了PtCoW@CeO₂在1.0 M KOH，1.0 M磷酸鹽緩沖液(PBS)，0.5 M H₂SO₄中的HER性能。PtCoW@CeO₂只需要-26 mV(1.0 M KOH)、-25 mV(1.0 M PBS)和-23 mV(0.5 M H₂SO₄)的過(guò)電位(η)就可以達(dá)到10 mA cm^-2的電流密度，這超過(guò)了PtCoW(1.0 M KOH：η_-10=-39 mV；1.0 M PBS：η_-10=-32 mV；0.5 M H₂SO_4:：η_-10=-32 mV)和PtCo@CeO₂(1.0 M KOH：η_-10=-34 mV；1.0 M PBS：η_-10=-27 mV；0.5 M H₂SO₄：η-10=-28 mV)的活性。

此外，PtCo的過(guò)電位(1.0 M KOH：η_-10=-47 mV；1.0 M PBS：η_-10=-33 mV；0.5 M H₂SO₄：η_-10=-36 mV)與PtCo@CeO₂和PtCoW相比略有增加。有趣的是，PtCoW@CeO₂比商業(yè)Pt/C表現(xiàn)出更好的HER活性(1.0 M KOH：η_-10=-48 mV；1.0 M PBS：η_-10=-34 mV；0.5 M H₂SO₄：η_-10=-37 mV)，在最近報(bào)道的Pt催化劑中也顯示出出色的HER活性。

此外，還測(cè)試了PtCoW@CeO₂的穩(wěn)定性。在1.0 M KOH(8 mV)、1.0 M PBS(12 mV)和0.5 M H₂SO₄(6 mV)溶液中，在50,000次循環(huán)測(cè)試后，PtCoW@CeO₂的電位在電流密度為-10 mA cm^-2時(shí)出現(xiàn)了輕微變化，遠(yuǎn)低于Pt/C(1.0 M KOH (52 mV)、1.0 M PBS(75 mV)和0.5 M H₂SO₄(44 mV))，且PtCoW@CeO₂的穩(wěn)定性也優(yōu)于PtCoW和PtCo@CeO₂。更增加令人驚喜的是，PtCoW@CeO₂的HER活性可以在-20 mA cm^-2的電流密度下穩(wěn)定維持40小時(shí)，PtCoW@CeO₂顯示出較高的HER穩(wěn)定性。

密度泛函理論(DFT)計(jì)算證明，構(gòu)建PtCoW@CeO₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)理論上可以提供優(yōu)異的HER性能。此外，DFT結(jié)果還表明CeO₂和W可以誘導(dǎo)Pt表面的電子重分布，加速Volmer步驟的水解離，從而提供更多的氫中間體，提高HER活性。此外，優(yōu)化后的PtCoW@CeO₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)的d帶中心值可以促進(jìn)水的吸附/解離，并調(diào)節(jié)Pt-H_ad的結(jié)合強(qiáng)度，從而獲得最佳的ΔG_H*值，從而加快產(chǎn)氫。

更重要的是，由于CeO₂和W雜原子摻雜具有理想的抗腐蝕能力，PtCoW@CeO₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的HER穩(wěn)定性。因此，這項(xiàng)工作不僅為設(shè)計(jì)和制備具有良好的HER動(dòng)力學(xué)的Pt基催化劑提供了新方法，而且展示了其在較寬的pH范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化產(chǎn)氫的潛力。

Coupling Interface Engineering with Electronic Interaction toward High-Efficiency H₂ Evolution in pH-Universal Electrolytes, Journal of Energy Chemistry, 2023, DOI: 10.1016/j.jechem.2023.01.060.

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2023.01.060.