近日，中(zhong)國科學院大(da)(da)連(lian)化學物理研(yan)究所(suo)研(yan)究員(yuan)鄧德會和研(yan)究員(yuan)于良團隊(dui)與(yu)188bet足球教(jiao)授路(lu)軍(jun)嶺團隊(dui)、大(da)(da)連(lian)化物所(suo)研(yan)究員(yuan)俞紅梅團隊(dui)合(he)作，發(fa)現鎧甲催化劑表(biao)(biao)面(mian)富集的(de)不對(dui)稱π電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)具有(you)獨特的(de)限域效應，可同時提升(sheng)表(biao)(biao)面(mian)限域鉑（Pt）原(yuan)子(zi)的(de)活性(xing)和穩定性(xing)。基于此，合(he)作團隊(dui)設計合(he)成(cheng)了高(gao)活性(xing)、高(gao)穩定性(xing)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)水制氫催化劑，并(bing)組裝了千瓦級(ji)質子(zi)交(jiao)換(huan)膜電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)槽，實現了超(chao)低Pt載量、工業大(da)(da)電(dian)(dian)(dian)(dian)流密度下的(de)高(gao)效酸性(xing)電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)水制氫。相(xiang)關成(cheng)果發(fa)表(biao)(biao)在《焦耳》上。
鎧甲催化劑表面電子限域效應示意圖。大(da)連化物所供圖
質子交換膜電解水（PEMWE）是規模化(hua)制備綠氫的(de)關(guan)鍵(jian)技術之一。貴金屬(shu)Pt具有(you)適中(zhong)的(de)氫結合能和(he)優異(yi)的(de)耐酸腐蝕(shi)性能，在商業PEMWE中(zhong)通(tong)常使(shi)用鉑/碳（Pt/C）作為(wei)陰(yin)極催化(hua)劑(ji)。然(ran)而，在長(chang)時間運行或高還原電位(wei)條件(jian)下，Pt/C催化(hua)劑(ji)中(zhong)Pt納米顆粒易發生團聚或從(cong)載體(ti)上脫落，導致活性位(wei)數目減少、整體(ti)催化(hua)性能衰(shuai)退。為(wei)維持(chi)高效、長(chang)壽命(ming)的(de)電解水過(guo)程，往(wang)往(wang)需要提高Pt載量，這大幅增加了(le)催化(hua)劑(ji)的(de)成本。
本工作中，團(tuan)隊(dui)發(fa)現(xian)單(dan)層(ceng)石(shi)(shi)墨烯封(feng)裝的(de)(de)(de)非貴金屬(shu)鈷鎳（CoNi）納(na)米(mi)合(he)金鎧(kai)甲(jia)催化(hua)劑結(jie)構中，金屬(shu)向(xiang)(xiang)碳的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子轉(zhuan)移和金屬(shu)-石(shi)(shi)墨烯的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子相互作用可在(zai)石(shi)(shi)墨烯鎧(kai)甲(jia)表面(mian)形成富(fu)(fu)集的(de)(de)(de)不對(dui)(dui)稱(cheng)(cheng)π電(dian)(dian)子態(tai)。通過(guo)原子層(ceng)沉積(ji)技(ji)術(shu)，團(tuan)隊(dui)在(zai)石(shi)(shi)墨烯鎧(kai)甲(jia)表面(mian)不對(dui)(dui)稱(cheng)(cheng)π電(dian)(dian)子富(fu)(fu)集位(wei)(wei)點實現(xian)了單(dan)原子Pt的(de)(de)(de)精準沉積(ji)。隨后，團(tuan)隊(dui)結(jie)合(he)多種(zhong)(zhong)原位(wei)(wei)譜學和理(li)論計算研究發(fa)現(xian)，這種(zhong)(zhong)不對(dui)(dui)稱(cheng)(cheng)π電(dian)(dian)子對(dui)(dui)Pt原子產生(sheng)獨特的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子限域(yu)效應(ying)：一(yi)方(fang)面(mian)，CoNi納(na)米(mi)合(he)金通過(guo)石(shi)(shi)墨烯鎧(kai)甲(jia)向(xiang)(xiang)Pt原子的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子轉(zhuan)移使Pt呈(cheng)富(fu)(fu)電(dian)(dian)子狀態(tai)，優化(hua)了Pt位(wei)(wei)點氫(qing)吸附能，促進了氫(qing)氣脫附，提高(gao)了Pt位(wei)(wei)點電(dian)(dian)催化(hua)析氫(qing)活性(xing)(xing)；另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)，石(shi)(shi)墨烯表面(mian)富(fu)(fu)集的(de)(de)(de)不對(dui)(dui)稱(cheng)(cheng)π電(dian)(dian)子與Pt的(de)(de)(de)5d軌(gui)道形成強的(de)(de)(de)相互作用，提高(gao)了Pt位(wei)(wei)點的(de)(de)(de)結(jie)構穩定(ding)性(xing)(xing)。
團(tuan)(tuan)隊(dui)利用(yong)該新(xin)型鎧(kai)甲(jia)催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑組裝(zhuang)的(de)PEMWE電(dian)解槽，在2.02 V槽電(dian)壓下(xia)可實現(xian)(xian)4.0 A cm?2的(de)電(dian)流(liu)(liu)密度，且在2.0 A cm?2電(dian)流(liu)(liu)密度下(xia)穩(wen)定運行超(chao)1,000小時(shi)。在進一步(bu)放大實驗中，團(tuan)(tuan)隊(dui)利用(yong)該催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑裝(zhuang)配的(de)2.85千瓦PEMWE電(dian)解槽同樣具有優異的(de)催(cui)(cui)化(hua)(hua)活性(xing)和穩(wen)定性(xing)，在1.5 A cm?2工業級電(dian)流(liu)(liu)密度下(xia)穩(wen)定運行超(chao)300小時(shi)，展(zhan)現(xian)(xian)出(chu)優異的(de)工業應用(yong)潛力。
該工(gong)作為開發高性(xing)能、長壽命、低成本酸性(xing)電(dian)解水制氫催化劑提供了新思路。
相關論(lun)文(wen)信息：//doi.org/10.1016/j.joule.2025.101968
作者：孫丹寧 來源：中國科學(xue)報 2025年6月12日
原文鏈接：//news.sciencenet.cn/htmlnews/2025/6/545717.shtm
