青科大王磊赖建平教授无溶剂微波法合成铂基合金促进析氢反应
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第一作者：聂楠竹
通讯作者：王磊教授、赖建平教授
通讯单位：青岛科技大学
论文DOI：10.1002/small.202102879
背景介绍
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。
镧系元素，因其较低的成本和独特的4f壳电子结构而备受关注。由于镧系元素的还原电位比Pt高3.5 V左右，具有热力学不溶性，使其难以合成。已报导的合成方法包括磁控溅射、H 2 还原、电沉积、化学还原等。然而这些方法往往需要严格的场地限制、复杂的工艺和设备，这进一步阻碍了大规模生产和应用。
文章解析
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。在国际知名学术期刊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。科琴黑作为一种良好的碳载体，具有较大的比表面积，可以分散活性位点，也有助于提高催化剂的导电性，促进 HER 反应。优化后的Pt 61 La 39 @KB在0.5 M H 2 SO 4 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 H 2 SO 4 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，ΔG H* 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. Pt 61 La 39 @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 H 2 SO 4 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。
图3. PtLa@CC在0.5 M H 2 SO 4 电解液中的SEM 图像和电化学HER性能。a) 碳布。b) PtLa@CC。c) 极化曲线。d) 电位为-0.09 V versus RHE时的计时安培曲线
图4. DFT计算。a) Pt/C和Pt 61 La 39 @KB的E V-Pt 。b) 不同催化剂的自由能垒，插图为晶体结构。深蓝色、浅蓝色和白色的球体分别代表Pt、La和H原子。
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
通讯作者介绍
赖建平 教授， 2019年以高层次引进到青岛科技大学化学与分子工程学院，教授，博导，泰山学者青年专家，山东省优秀青年基金获得者。近五年发表SCI论文60余篇，其中以通讯作者和第一作者身份在 Nat. Commun.（2）、Chem、 Joule、 ACS Cent. Sci.、Energy Environ. Sci.（2）、 Adv. Mater.、 Adv. Energy Mater.（2）、Adv. Funct. Mater.（2）、Nano Today、 Nano Lett.、Cell Reports Phys. Sci.、 Electrochem. Energy Rev.、Appl. Catal. B: Environ.（3）、 Small（2）、 J. Mater. Chem. A（7）等国际著名期刊上发表SCI论文二十余篇。授权国内发明专利两项。主持科研项目包括山东省泰山学者人才工程计划项目、山东省优秀青年基金、国家青年基金等项目。
王磊 教授， 山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学崂山学者，博士生导师。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，同年来青岛科技大学工作至今。长期从事绿色能源相关领域研究，包括能源储存与转换材料、光电催化、超分子化学、金属-有机配位聚合物、有机-无机杂化材料等，先后合成出来首例微孔亚磷酸铍和首例具有三棱镜结构的高稳定金属有机钠盐。已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Enery Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A., Science.China.Chem.、中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文二百余篇, 其中通讯作者影响因子大于10.0的论文四十余篇。主持国家级和省部级项目十余项，首位获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共六项。