哈工大（深圳）徐成彦与中科院物构所温珍海合作Adv. Funct. Mater.：Co和Pt原子基团协同增强HER和ORR性能

导语

尽管人们已经开发了各种过渡金属基催化剂用于电催化ORR/HER，但这些催化剂的性能仍与Pt基催化剂有一定差距。为了进一步提升ORR/HER性能，调控金属-载体相互作用是提高催化剂活性和稳定性的关键。各种碳材料（如碳纳米管、石墨烯、炭黑）由于其高比表面积、高导电性和优异的化学稳定性等优点而被开发为Pt基催化剂的载体。然而，碳表面的相对惰性导致金属与载体之间的相互作用较弱，无法有效调节金属的电子结构，限制了催化活性和稳定性。

近日，哈尔滨工业大学（深圳）徐成彦教授与中科院福建物质结构研究所温珍海研究员合作，以富含Co单原子位点的氮掺杂石墨烯（CoN4）为碳载体，分散Pt原子/团簇，通过Pt与CoN4碳载体间的电子约束效应限制Pt的长大，构筑了原子化的低Pt含量Co催化剂（Pt@CoN4-G）。Pt和CoN4碳载体间强的金属-载体相互作用以及多个活性位点的协同效应使得Pt@CoN4-G表现出优异的HER和ORR性能。当Pt@CoN4-G催化剂应用于流动型酸碱混合燃料电池以及锌-空气电池时，也表现出优异的性能。相关研究成果发表于Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202303189）。

前沿科研成果

Co和Pt原子基团协同增强HER和ORR性能

图1. Pt@CoN4-G催化剂的合成示意图（来源：Adv. Funct. Mater.）

图2. Pt@CoN4-G催化剂的电镜表征（来源：Adv. Funct. Mater.）

图3. Pt@CoN4-G催化剂的XPS和XAS表征（来源：Adv. Funct. Mater.）

以富含Co单原子位点的氮掺杂石墨烯为载体分散Pt原子/团簇，制备出低Pt含量的Pt@CoN4-G催化剂。球差电镜表征表明Pt@CoN4-G催化剂中，Co以单原子状态分布，Pt以团簇和单原子状态分布。对比不含Co单原子的碳载体分散Pt的催化剂（Pt@NG），Pt@CoN4-G催化剂中Pt与CoN4碳载体间的电子约束效应限制了Pt的长大。Pt的小尺寸有利于提升Pt原子利用率，增强催化活性。XPS和XAS结果表明Pt@CoN4-G催化剂中含有CoN4、PtN2和Pt簇三种活性中心。Pt与Co存在一定的电子转移，可以调控金属-载体相互作用以增强催化性能。

图4. 催化剂在0.5 M H2SO4和1.0 M KOH溶液中的HER性能（来源：Adv. Funct. Mater.）

图5. 催化剂在0.1 M KOH溶液中的ORR性能（来源：Adv. Funct. Mater.）

图6. 密度泛函理论计算（来源：Adv. Funct. Mater.）

电催化测试结果表明，Pt@CoN4-G催化剂在酸性和碱性介质中表现出低的HER过电位。在50 mV过电位下，Pt含量低至2.83 wt%的Pt@CoN4-G催化剂的HER质量活性分为Pt/C的7倍和8倍。在酸性介质中，Pt@CoN4-G的循环耐久性高达10000圈，稳定性高达100 h。此外，Pt@CoN4-G在碱性介质中表现出优异ORR活性，半波电位为0.893 V，稳定性高达200 h，远优于商业Pt/C。电化学毒化实验表明，Pt@CoN4-G催化剂的活性来源于Pt与CoN4-G之间强金属与载体相互作用，以及CoN4、PtN2和Pt团簇多个活性位点的协同作用，主要活性位点为CoN4位点和Pt团簇。

DFT计算进一步揭示了Pt团簇和CoN4位点的相互作用可以优化氢/氧吸附-解吸行为，并降低反应能垒，从而提高HER和ORR活性。采用Pt@CoN4-G作为阴极催化剂组装的流动型酸碱混合燃料电池可以同时实现析氢和发电，其功率密度高达222 mW cm-2，析氢速率为450.1 L m−2 h−1。此外，采用Pt@CoN4-G作为阴极催化剂组装的流动型锌-空气电池表现出高的功率密度（316 mW cm-2）以及强的循环稳定性（600 h）。

该研究成果以“A Low-Cost, Durable Bifunctional Electrocatalyst Containing Atomic Co and Pt Species for Flow Alkali-Al/Acid Hybrid Fuel Cell and Zn-Air Battery”为题发表于Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202303189）上。论文第一作者为哈尔滨工业大学（深圳）博士研究生章梦甜，通讯作者为哈尔滨工业大学（深圳）徐成彦教授与中科院福建物质结构研究所温珍海研究员。该研究工作得到了深圳市基础研究重点基金项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等的资助。

作者简介

徐成彦，哈尔滨工业大学（深圳）材料学院教授、博士生导师。目前主要从事二维材料的合成及其在光电、能源和生物医学等领域的应用，以第一/通讯作者在Nat. Comm.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Sci. Bull.等国内外主流期刊发表论文120余篇，并为Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.等期刊撰写多篇综述，Google Scholar引用10000余次，H因子为57。

温珍海，中国科学院福建物质结构研究研究员、课题组长，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。主要从事电化学能源研究。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nat. Comm.等期刊发表200余篇论文，引用＞24000次，H因子为86。

邀稿

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