《Sci. China Mater.》：纳米针尖状质子化聚苯胺负载的单原子铂催化剂实现高效酸性电解水制氢
Atomically-Dispersed Platinum Supported onto Nanoneedle-Shaped Protonated Polyaniline for Efficient Hydrogen Production in Acidic Water Electrolysis
Zhenzhong Wu, Jing Bai, Feili Lai, Hui Zheng, Yizhe Zhang, Nan Zhang, Chuanxi Wang, Zhenyu Wang, Longsheng Zhang*, Tianxi Liu*
Science China Materials 2023, DOI: 10.1007/s40843-022-2414-2
利用电解水制氢技术，将可再生清洁能源转换为燃烧热值高、零污染的氢能，是一种绿色、高效利用可再生清洁能源的重要手段。其中，电催化析氢反应是电解水制氢体系的阴极反应。设计和开发高性能的析氢催化剂，对提高电解水制氢体系的能量转换效率具有重要意义。迄今为止，铂金属对析氢反应中间体具有最佳的吸附-脱附能垒，并展现出优异的析氢反应活性。然而，铂是一种稀缺性金属，其昂贵的成本限制了大规模合成和广泛应用。因此，开发高性能单原子铂催化剂对酸性电解水制氢领域具有重要意义。一方面，开发单原子铂催化剂，可有效提高铂金属的利用率，降低催化剂材料成本和增加经济效益。另一方面，当催化剂的尺寸降至原子级，可显著增加催化剂表面活性位点的数量，进而提高催化反应速率。然而，在酸性电解质中，氢正离子（H+）会被水分子包围并形成水合氢离子，这会导致单原子铂活性位点的局部H+ 浓度降低，从而使其析氢反应动力学受到限制。将单原子铂负载在合适的载体上，以提高其表面的H+局部浓度，有望为提升单原子铂催化剂的析氢反应动力学提供有效途径。
近期，本课题组报道了一种纳米针尖状质子化聚苯胺负载的单原子铂催化剂，其在10 mA cm-2时的过电位仅为27 mV，质量活性高达2.03 A mgPt-1，并展现出良好的电化学稳定性。将单原子铂负载在纳米针尖状质子化聚苯胺上，可通过聚苯胺表面形成的质子化胺基团来捕获水合氢离子中的H+，实现单原子铂位点表面的局部H+浓度提高。此外，利用针尖增强效应，纳米针尖状聚苯胺的构筑可促进电荷积累来加快H+ 的电化学还原，从而提高单原子铂的析氢反应动力学。电化学性能测试结果表明，相对于扁平状质子化聚苯胺负载的单原子铂催化剂，针尖状质子化聚苯胺负载的单原子铂催化剂的析氢反应动力学得到显著提高。结合X射线光电子能谱、有限元模拟计算和电化学行为研究发现，单原子铂位点表面H+ 富集促使的氢溢流现象对针尖状质子化聚苯胺负载的单原子铂催化剂的析氢活性提升具有重要贡献。
本论文第一作者为化工学院2020级硕士研究生吴振中，通讯作者为张龙生副教授和刘天西教授。
论文连接：https://doi.org/10.1007/s40843-022-2414-2
