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富电子态Pt团簇/Ni(OH)2电催化剂用于高效阴离子交换膜电解水制氢 |
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开发高效的阴离子交换膜（AEM）电解水制氢催化剂对氢能发展具有重要意义。近日，北京化工大学邵明飞教授团队提出了一种火焰辅助策略，实现了富电子态Pt团簇/Ni(OH)2电催化剂的快速且可扩展合成。借助火焰处理过程中内禀的原电池机制，建立了一种普适性的Ni(OH)2@Ru/Au/Pd异质结构催化剂合成途径。所制备的Ni(OH)2@Ptδ--NC催化剂表现出优异的析氢活性，过电位仅为9 mV，并能在工业级AEM电堆中在160 A条件下稳定运行1,000 h，展现出未来工业应用的潜力。相关成果“Scalable and facile flame-assisted synthesis of electron-rich Pt clusters/Ni(OH)2 electrocatalyst for robust AEM water electrolysis”发表在Matter期刊上。论文通讯作者是邵明飞教授，北京化工大学博士生李金泽和李浩副教授为该论文共同第一作者。
基于可再生能源驱动的电解水制氢为化石燃料替代提供了重要途径。阴离子交换膜电解水因其高能量转换效率和空间利用率而备受关注，但在碱性条件下，析氢（HER）反应受Volmer步高能垒限制，即使先进Pt基催化剂的活性也显著低于酸性环境。近年来虽已开发多种低Pt负载的异质结构催化剂，但碱性环境下界面水氢键作用减弱仍阻碍了活性氢（H*）的迁移。因此，协同实现高效水裂解与快速H*迁移，是实现低铂催化剂类酸HER活性的关键。此外，受限于现有膜技术，AEM电极大多采用催化剂负载基底（CCS）方法制备。尽管引入了粘结剂以增强催化层与基底之间的附着力，但在高电压下产生的大量氢气泡会对活性位点施加强烈的机械应力，最终导致催化剂从电极表面剥离。因此，这类电催化剂难以在工业条件下兼顾高活性与稳定性。作者针对上述挑战，提出了一种火焰辅助策略，仅需1分钟，无需专用反应器、高压容器和复杂的前驱体处理工艺即可实现Ni(OH)2@Ptδ--NC一体化电极100 cm2尺度的制备。所制备的Ni(OH)2@Ptδ--NC电极在超低Pt负载量（0.05 mg cm-2）下展现出卓越的碱性HER活性（在10 mA cm-2时仅需9 mV过电位）与优异的稳定性（在200 mA cm-2下稳定运行2400小时），其性能显著优于商业Pt/C催化剂。
图1：催化剂形貌表征。
图2：催化剂结构表征。
图3：合成机理及普适制备。
图4：HER性能评价。
通过详细的对照实验，论文揭示了火焰辅助合成内在的原电池机制：火焰高温驱动Ni–Pt原电池反应生成Ni(OH)2，并在内焰还原气氛下形成氧空位及富电子态Pt团簇，最终实现Ni(OH)2@Ptδ--NC的快速构筑。并且进一步证明了该火焰辅助方法的普适性，可用于构筑Ni(OH)2@Au/Pd/Ru等贵金属异质结构。原位光谱学、电化学探针实验与密度泛函理论计算共同表明，富含氧空位的Ni(OH)2通过火焰诱导的电子转移显著促进了富电子态Pt纳米团簇的形成。这些Ptδ-纳米簇作为主要活性位点，表现出优化的氢吸附–解吸特性，对高效氢析出至关重要；同时，Ni(OH)2能够显著促进水的吸附与解离，从而为Ptδ-位点持续提供充足的活性氢，保证反应持续高效的进行。
图5：界面水结构的原位监测。
图6：活性位点的电化学探针与理论计算研究。
图7：AEM电解水工业化性能评价。
将该催化剂作为AEM电解槽的阴极时，仅需1.74 V和2.23 V的槽压即可分别实现1 A cm-2和5 A cm-2的电流密度。将放大制备的催化剂集成至100 cm2的双极室电堆中，可实现在160 A高电流输出下保持1000小时的稳定运行，对AEM电解水催化剂从实验室研究转向工业应用具有重要意义。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102414
