《ACS Catalysis》：表面调控的Pt-Cu纳米框架用于高效电化学乙醇重整制氢

Surface-Regulated Platinum-Copper Nanoframes in Electrochemical Reforming of Ethanol for Efficient Hydrogen Production

Hui Fu, Nan Zhang*, Feili Lai, Longsheng Zhang, Suli Chen, Hanjun Li, Kezhu Jiang, Ting Zhu, Fangping Xu, Tianxi Liu*

ACS Catal. 2022, DOI: 10.1021/acscatal.2c03022

电解水制备氢气因其环境友好、零碳排放而受到广泛的关注。然而，动力学缓慢的析氧反应（OER）限制了水分解制氢的效率。乙醇氧化反应（EOR）因其热力学友好、能量密度高以及副产物经济价值高等特点，有望成为替代OER实现高效水分解产氢的有效途径。铂（Pt）基材料在HER和小分子氧化反应中均展现出优异的催化性能。然而在实际的应用中，其EOR性能却受限于其昂贵的价格、较弱的乙醇和水分子的吸附以及对乙醇中C-H键的解离。引入第二种金属形成Pt基合金不仅可降低Pt的用量，还优化了其电子结构，可增强其对反应物及中间体的吸附；此外，三维结构不仅可以暴露更多的活性位点，而且能够将反应物限制在纳米尺寸空间内从而增加其碰撞率；高指数晶面拥有丰富的低配位原子，可以为催化过程提供更多的活性位点。因此，设计具有三维结构和高指数晶面的Pt基合金材料用于HER/OER耦合反应有望实现高效电解水制氢。

基于此，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授课题组开发了具有高指数晶面和三维结构的PtCu纳米框架（NF/C）作为HER和EOR的双功能催化剂。PtCu NF/C在碱性和酸性电解液均展现出优异的HER性能。在EOR中，PtCu NF/C同样展现出比PtCu纳米枝（ND/C）和商业Pt/C更低的氧化电位和更高的催化活性。PtCu NF/C还可以作为双电极体系的阳极和阴极催化剂，在HER/EOR耦合反应中，其仅需0.58 V就能达到1.88 V时水分解的产氢量，并且其阴极产氢的法拉第效率可达92%，同时阳极乙醇转化为醋酸盐的法拉第效率高达98.2%。机理研究表明，三维结构、Cu的引入和高指数晶面的协同作用增强了PtCu NF/C对乙醇和水的吸附能，并促进了乙醇中C-H键的解离。该工作不仅为节能制氢提供了高效且经济的新方法，同时为设计更多高效催化剂提供了新思路。

本论文第一作者为2020级博士研究生付慧，通讯作者为刘天西教授和张楠副教授。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.2c03022

PtCu NF/C的结构和组分表征