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青島科技大學王磊、賴建平教授團隊無溶劑微波法合成鉑基合金促進析氫反應取得新進展
作者:王冰潔  審核:王磊 來源:環境學院  編輯:王文豔 點擊:[] 日期:2021年08月04日

電催化析氫(HER)過程可以將太陽能、風能等間接能源轉化為化學能,減少化石能源消耗和環境污染。Pt基催化劑在酸性HER中的地位是不可取代的。但Pt的稀缺性和高成本,以及電催化過程中的過早衰變,阻礙了Pt基催化劑的進一步發展。目前,用簡單的方法合成具有優良活性比表面積、比活性和穩定性的鉑基電催化劑仍然是一個巨大的挑戰。

近日,青島科技大學王磊教授,賴建平教授課題組報道了一種超快的無溶劑微波方法,合成的緊密堆積的、超細(3 nm)合金展現出優異的酸性析氫反應性能。在國際知名學術期刊Small (IF=13.281)上發表題為“Super-fast synthesis of densely packed and ultrafine Pt-lanthanide@KB via solvent-free microwave as efficient hydrogen evolution electrocatalysts”的文章。

本文首次在家用微波爐中合成緊密堆積的超細合金Pt-Lanthanide@Ketjen Black (PtM@KB, M =La, Gd, Tb, Er, Tm和Yb),用作析氫反應催化劑。整個加熱過程僅需30秒,化合物的組成比例可大範圍調整。優化後的Pt61La39@KB在0.5 M H2SO4電解液中具有38 mV (10 mA cm-2)的低過電位和44.13 s-1(100 mV)的高TOF值,在1.0 M KOH電解液中也具有良好的析氫活性。該方法同樣也適用於在碳布(CC)上直接生長催化劑。PtLa@CC在0.5 M H2SO4中表現出99 mV (1000 mA cm-2)的低過電位,500 h後仍能保持電催化活性。理論計算表明,PtLa@KB中較高的Pt原子表面空位形成能有助於提高其耐久性,ΔGH*的最佳值有利於提高催化劑的HER活性。本工作提供了一種簡單、快速的無溶劑微波策略,為製備超細合金催化劑及其大電流工業化生產應用提供研究思路。

圖1. Pt61La39@KB的表徵。a) TEM圖像。b) HRTEM圖像。c) TEM元素映射。d) XRD圖譜。e) XPS Pt 4f圖譜。f) XPS La 3d圖譜。

圖2. PtM@KB和商用Pt/C在0.5 M H2SO4電解液中的HER性能。a)極化曲線。b)塔菲爾斜率圖。c) -0.07 V vs. RHE質量活性對比圖。d) -0.07 V versus RHE比活性對比圖。e) 10000 CV循環前後的極化曲線。f)電位為-0.04 V versus RHE時的計時安培曲線。

該文以青島科技大學為第一單位,青島科技大學王磊教授、賴建平教授為論文的共同通訊作者,博士研究生聶楠竹為第一作者。

論文信息:

Nanzhu Nie, et al, Superfast Synthesis of Densely Packed and Ultrafine Pt–Lanthanide@KB via Solvent-Free Microwave as Efficient Hydrogen Evolution Electrocatalysts, Small 2021

DOI: 10.1002/small.202102879

//doi.org/10.1002/smll.202102879

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