研究通过铠甲催化剂表面电子限域效应实现高效酸性电解水制氢

近日，中国科学院大连化学物理研究所能源催化转化全国重点实验室能源与环境小分子催化研究中心研究员邓德会和于良团队与中国科学技术大学教授路军岭团队、大连化物所高效电解水制氢研究组研究员俞红梅团队合作，发现铠甲催化剂表面富集的不对称π电子具有独特的限域效应，可同时增强表面限域铂（pt）原子的活性与稳定性。基于这一发现，合作团队设计并合成了具有高活性和高稳定性的电解水制氢催化剂，并构建了千瓦级质子交换膜电解槽，成功实现了在超低pt载量下、工业大电流密度条件下的高效酸性电解水制氢。

质子交换膜电解水（PEMWE）是实现绿氢规模化生产的关键技术之一。由于Pt具有适中的氢结合能和出色的耐酸腐蚀性能，商业PEMWE中通常采用铂/碳（Pt/C）作为阴极催化剂。然而，在长时间运行或高还原电位条件下，Pt/C催化剂中的Pt纳米颗粒容易发生团聚或从载体上脱落，导致活性位点减少，整体催化性能下降。为了维持高效的电解水过程和催化剂寿命，往往需要增加Pt的负载量，这显著提高了催化剂的成本。

在本项研究中，科研团队发现，单层石墨烯封装的非贵金属钴镍（CoNi）纳米合金构成的铠甲催化剂结构中，金属向碳的电子转移以及金属-石墨烯之间的电子相互作用，可在石墨烯铠甲表面形成富集的不对称π电子态。通过原子层沉积技术，研究人员在这些不对称π电子富集区域实现了单原子Pt的精确沉积。结合多种原位谱学手段和理论计算分析，团队发现这种不对称π电子对Pt原子产生了独特的电子限域效应：一方面，CoNi纳米合金通过石墨烯铠甲向Pt原子传递电子，使Pt处于富电子状态，优化了Pt位点的氢吸附能，促进了氢气脱附，从而提升了Pt位点的电催化析氢活性；另一方面，石墨烯表面富集的不对称π电子与Pt的5d轨道之间形成了强相互作用，增强了Pt位点的结构稳定性。

利用该新型铠甲催化剂组装的PEMWE电解槽在2.02 V（无iR补偿）槽电压下即可达到4.0 A cm−2的电流密度，并且在2.0 A cm−2电流密度下稳定运行超过1,000小时，其阴极侧Pt载量仅为1.2 μgPt cm−2。进一步放大实验中，团队使用该催化剂装配的2.85千瓦PEMWE电解槽同样表现出优异的催化活性和稳定性，在1.5 A cm−2的工业级电流密度下稳定运行超过300小时，展现出良好的工业化应用前景。这项研究成果为开发高性能、长寿命、低成本的酸性电解水制氢催化剂提供了新的思路。

相关成果发表在《焦耳》（Joule）期刊上。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁滨海实验室、大连化物所创新基金等项目的支持。

研究示意图

通过铠甲催化剂表面电子限域效应实现高效酸性电解水制氢

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