刘卫教授团队在低铂气凝胶电催化析氢研究中取得重要进展

       近年来，随着能源与环境问题的日益突出，促使着人类寻找可替代的清洁能源，氢作为高能量密度的无碳能源，引起了人们广泛的关注。利用太阳能和风能产生电能，再利用电能进行水分解是生产氢燃料的一种颇具吸引力的策略，可以实现零二氧化碳排放，并且有利于清洁可再生能源的转化和存储。利用这种策略制氢高度依赖于成本效益与高性能析氢电催化剂。贵金属Pt由于其自由能热中性表面，是一种最具吸引力的高效析氢电催化剂。然而，Pt的高成本和稀缺性极大限制了催化剂的大规模制备，同时Pt电催化剂粒子在电催化过程中还存在脱落和电化学熟化等问题。因此，设计兼顾高活性、高稳定性和低成本的铂电催化剂是电催化析氢的关键研究方向之一。

图1. LPWGA的制备策略与析氢反应示意图

       目前，已有研究证明金属氧化物可以稳定支撑Pt，调节电子状态，但存在导电性差，活性不足的问题。鉴于此，刘卫教授团队将氧化钨纳米线集成到三维导电的石墨烯气凝胶中，制备了导电的复合气凝胶载体（富含氧缺陷的氧化钨/还原氧化石墨烯气凝胶，WGA），并将低含量的Pt（0.8 wt%）稳定分散在复合导电气凝胶网络中，利用金属-载体间相互作用和气凝胶三维连续网络的结构优势，同步实现电子表面结构调控、体系快速传质和Pt纳米粒子的锚定，获得了兼具高电催化析氢稳定性和活性的低铂含量气凝胶（LPWGA）（图1）。

图2：HAADF-STEM和STEM-mapping图片；氮气吸脱附曲线图，孔结构分布图；Pt 4f XPS图，W 4f XPS图；电催化析氢性能测试和DFT理论计算

       系统研究表明，将Pt负载于WGA上得到的低铂/富含缺陷的氧化钨/还原氧化石墨烯气凝胶（LPWGA），可以使 WO3-x 与 Pt 之间发生电子转移，优化 Pt 纳米粒子的电子结构，降低了氢吸附能，从而增强了电催化析氢活性（图2）。气凝胶的三维互连多孔结构促进了物质输运和电子转移，同时为电解质提供了丰富表面，有助于暴露 Pt 活性位点，从而进一步增强气凝胶析氢活性。此外，金属与载体之间的相互作用对LPWGA的稳定性有显著的影响，可以将Pt纳米颗粒很好地固定在WGA上，并防止其聚集，大幅提升稳定性。DFT计算表明，相对于在Pt表面吸附氢的吸附与脱附过程，吸附氢从Pt向WO3-x迁移有着更低的能垒，LPWGA的氢溢流效应使得Pt上的活性位点及时暴露出来，促进了整个析氢反应的动力学。
       本工作是低铂气凝胶电催化析氢研究中的重要进展，对于设计兼具高活性、高稳定性、低成本的Pt基电催化剂具有借鉴意义。

       相关研究成果以“Tungsten Oxide/Reduced Graphene Oxide Aerogel with Low-Content Platinum as High-Performance Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction”为题发表在Small上（DOI：10.1002/smll.202102159）。第一单位为中山大学材料科学与工程学院，硕士生李怡为论文的第一作者，我院的刘卫教授为通讯作者，我院的杨静副研究员和化学学院的郑治坤教授为共同通讯作者。该研究工作受到国家自然科学基金，广东自然科学基金，中山大学”百人计划”的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102159.

初审：黄艳月

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军