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青岛科技大学王磊、赖建平教授团队无溶剂微波法合成铂基合金促进析氢反应取得新进展

作者:王冰洁 审核:王磊 来源:环境学院 编辑:王文艳   点击: 日期:2021-08-04

电催化析氢(HER)过程可以将太阳能、风能等间接能源转化为化学能,减少化石能源消耗和环境污染。Pt基催化剂在酸性HER中的地位是不可取代的。但Pt的稀缺性和高成本,以及电催化过程中的过早衰变,阻碍了Pt基催化剂的进一步发展。目前,用简单的方法合成具有优良活性比表面积、比活性和稳定性的铂基电催化剂仍然是一个巨大的挑战。

近日,青岛科技大学王磊教授,赖建平教授课题组报道了一种超快的无溶剂微波方法,合成的紧密堆积的、超细(3 nm)合金展现出优异的酸性析氢反应性能。在国际知名澳门星际Small (IF=13.281)上发表题为“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炉中合成紧密堆积的超细合金Pt-Lanthanide@Ketjen Black (PtM@KB, M =La, Gd, Tb, Er, Tm和Yb),用作析氢反应催化剂。整个加热过程仅需30秒,化合物的组成比例可大范围调整。优化后的Pt61La39@KB在0.5 M H2SO4电解液中具有38 mV (10 mA cm-2)的低过电位和44.13 s-1(100 mV)的高TOF值,在1.0 M KOH电解液中也具有良好的析氢活性。该方法同样也适用于在碳布(CC)上直接生长催化剂。PtLa@CC在0.5 M H2SO4中表现出99 mV (1000 mA cm-2)的低过电位,500 h后仍能保持电催化活性。理论计算表明,PtLa@KB中较高的Pt原子表面空位形成能有助于提高其耐久性,ΔGH*的最佳值有利于提高催化剂的HER活性。本工作提供了一种简单、快速的无溶剂微波策略,为制备超细合金催化剂及其大电流工业化生产应用提供研究思路。

图1. Pt61La39@KB的表征。a) TEM图像。b) HRTEM图像。c) TEM元素映射。d) XRD图谱。e) XPS Pt 4f图谱。f) XPS La 3d图谱。

图2. PtM@KB和商用Pt/C在0.5 M H2SO4电解液中的HER性能。a)极化曲线。b)塔菲尔斜率图。c) -0.07 V vs. RHE质量活性对比图。d) -0.07 V versus RHE比活性对比图。e) 10000 CV循环前后的极化曲线。f)电位为-0.04 V versus RHE时的计时安培曲线。

该文以青岛科技大学为第一单位,青岛科技大学王磊教授、赖建平教授为论文的共同通讯作者,博士研究生聂楠竹为第一作者。

论文信息:

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

https://doi.org/10.1002/smll.202102879

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