中山大学杨静/刘卫：低含量Pt气凝胶作为析HER的高性能电催化剂

【背景】

设计具有成本效益、高活性和耐用的铂 (Pt) 基电催化剂是电化学析氢反应 (HER) 的一项关键工作。最近，中山大学杨静特聘副研究员/刘卫教授/郑治坤教授合作团队共同从溶剂热法获得的氧化钨/还原氧化石墨烯气凝胶（WGA），开发了具有优异 HER 活性和耐久性的低含量 Pt（0.8 wt%）/氧化钨/还原氧化石墨烯气凝胶（LPWGA）电催化剂。

具有丰富氧空位和分级孔的 WGA 载体起到锚定 Pt 纳米粒子、提供连续传质和电子传递通道以及调节 Pt 表面电子状态的作用，这使 LPWGA 具有高 HER 活性和耐久性。即使在 0.81 μgPt cm−2 的低负载下，LPWGA 也表现出高HER 活性，在 10 mA cm−2下的过电位为 42 mV，在 10000 循环循环伏安法和 10 mA c m−2下的 40 h 计时电位法下具有出色的稳定性，低塔菲尔斜率（30 mV dec-1），以及在 η = 50 mV 时 29.05 s-1 的高周转频率，这远优于商业 Pt/C 和低含量 Pt/还原氧化石墨烯气凝胶。这项工作为设计高性能 Pt 基电催化剂提供了一种新策略，大大减少了 Pt 的使用。成果“Tungsten Oxide/Reduced Graphene Oxide Aerogel with Low-Content Platinum as High-Performance Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction”发表在期刊《Small》。

【主图导读】

示意图1，合成 WGA 和 LPWGA 的过程示意图。

图1 3D 多孔 WGA 的 a) SEM和 b) TEM 图像。c) 通过后续处理获得的 GA、WGA、LPGA 和 LPWGA 的 XRD 图。红线属于 Pt 的 PDF 卡 #04-0802，黑线属于 WO3 的 PDF #85-2459。d) LPWGA 和 WGA 的 EPR 表征。e) LPWGA 的 TEM 图像与 Pt 纳米颗粒的尺寸分布。f) WGA 上 Pt 纳米颗粒的高分辨率 TEM 图像。

图2 LPWGA 的 HAADF-STEM 图像和基于 EDX 的元素分布。

图3 a) LPWGA、LPGA 和 Pt/C 的 Pt 4f XPS 光谱。b) LPWGA 和 WGA 的 W 4f XPS 光谱。

图4. a) 基于工作电极在 0.5 M H2SO4 中的几何面积的 LPWGA、WGA、LPGA 和商用 Pt/C 的 HER 极化曲线；b) Tafel 斜率，c) 质量活动（在 50 mV 和 70 mV 的过电位下），以及 d) 在 0.5 M H2SO4 中获得的 LPWGA、LPGA 和 Pt/C 开路电位的奈奎斯特图；e) LPWGA 的 HER 极化曲线以 50 mV s-1 的扫描速率在 -0.1 V 至 0.1 V范围内进行 10000 CV 扫描之前和之后测量。f) LPWGA、LPGA 和 Pt/C 在 10 mA cm-2 电流密度下的计时电位测试。

【总结】

Pt 调制电子结构、分层多孔气凝胶结构、溢出效应和 WO3-x/石墨烯气凝胶 (WGA) 的锚定效应的集合赋予 LPWGA 高活性位点、快速传质和电子转移、加速迁移将活性位点的*H吸附到WO3-x上，并使Pt纳米颗粒在WGA上良好分散，从而提高了Pt的利用率，促进了整体HER动力学，并提高了Pt纳米颗粒的稳定性。当用作 HER 的电催化剂时，LPWGA 在 10 mA cm-2 下显示出 42 mV 的低过电位，28.70 A mgPt-1 的高质量活性，以及在 η = 50 mV 时 29.05 s-1 的大转换频率，比没有 WO3-x 的商业 Pt/C 和相应的 LPGA 好得多。此外，即使在 10000 次循环伏安循环和 40 小时计时电位测量（10 mA cm-2）之后，LPWGA 也表现出优异的稳定性并保持其 HER 活性。目前的工作提供了一种基于气凝胶材料的高效且具有成本效益的方法来设计具有高活性和良好稳定性的优异低 Pt 含量 HER 电催化剂。

参考文献：
doi.org/10.1002/smll.202102159

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