氫氣具有高能量密度和產(chǎn)物無污染的優(yōu)點，被普遍認為是傳統(tǒng)化石燃料的很有前景的替代品。電解水是一種清潔、便捷的制氫技術，但電解水需要高性能的催化劑來加速陰極的析氫反應(HER)，尤其是在較寬的pH范圍內(nèi)。目前，Pt基材料被認為是最先進的HER催化劑，但由于其較弱的水解離和較強的Pt-H_ad強度，大多數(shù)Pt基材料需要經(jīng)歷緩慢的Volmer步驟和較差的H脫附。令人難過的是，提高鉑基催化劑的HER本征活性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在較寬的pH范圍內(nèi)。

基于此，廣西大學尹詩斌等人利用異質(zhì)結(jié)構、CeO₂和W的優(yōu)點設計制備了PtCoW@CeO₂異質(zhì)結(jié)構催化劑，該催化劑可以加速水的解離，改善OH_ad的脫附，在較寬的pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出高效的HER性能。

本文研究了PtCoW@CeO₂在1.0 M KOH，1.0 M磷酸鹽緩沖液(PBS)，0.5 M H₂SO₄中的HER性能。PtCoW@CeO₂只需要-26 mV(1.0 M KOH)、-25 mV(1.0 M PBS)和-23 mV(0.5 M H₂SO₄)的過電位(η)就可以達到10 mA cm^-2的電流密度，這超過了PtCoW(1.0 M KOH：η_-10=-39 mV；1.0 M PBS：η_-10=-32 mV；0.5 M H₂SO_4:：η_-10=-32 mV)和PtCo@CeO₂(1.0 M KOH：η_-10=-34 mV；1.0 M PBS：η_-10=-27 mV；0.5 M H₂SO₄：η-10=-28 mV)的活性。

此外，PtCo的過電位(1.0 M KOH：η_-10=-47 mV；1.0 M PBS：η_-10=-33 mV；0.5 M H₂SO₄：η_-10=-36 mV)與PtCo@CeO₂和PtCoW相比略有增加。有趣的是，PtCoW@CeO₂比商業(yè)Pt/C表現(xiàn)出更好的HER活性(1.0 M KOH：η_-10=-48 mV；1.0 M PBS：η_-10=-34 mV；0.5 M H₂SO₄：η_-10=-37 mV)，在最近報道的Pt催化劑中也顯示出出色的HER活性。

此外，還測試了PtCoW@CeO₂的穩(wěn)定性。在1.0 M KOH(8 mV)、1.0 M PBS(12 mV)和0.5 M H₂SO₄(6 mV)溶液中，在50,000次循環(huán)測試后，PtCoW@CeO₂的電位在電流密度為-10 mA cm^-2時出現(xiàn)了輕微變化，遠低于Pt/C(1.0 M KOH (52 mV)、1.0 M PBS(75 mV)和0.5 M H₂SO₄(44 mV))，且PtCoW@CeO₂的穩(wěn)定性也優(yōu)于PtCoW和PtCo@CeO₂。更增加令人驚喜的是，PtCoW@CeO₂的HER活性可以在-20 mA cm^-2的電流密度下穩(wěn)定維持40小時，PtCoW@CeO₂顯示出較高的HER穩(wěn)定性。

密度泛函理論(DFT)計算證明，構建PtCoW@CeO₂異質(zhì)結(jié)構理論上可以提供優(yōu)異的HER性能。此外，DFT結(jié)果還表明CeO₂和W可以誘導Pt表面的電子重分布，加速Volmer步驟的水解離，從而提供更多的氫中間體，提高HER活性。此外，優(yōu)化后的PtCoW@CeO₂異質(zhì)結(jié)構的d帶中心值可以促進水的吸附/解離，并調(diào)節(jié)Pt-H_ad的結(jié)合強度，從而獲得最佳的ΔG_H*值，從而加快產(chǎn)氫。

更重要的是，由于CeO₂和W雜原子摻雜具有理想的抗腐蝕能力，PtCoW@CeO₂異質(zhì)結(jié)構表現(xiàn)出良好的HER穩(wěn)定性。因此，這項工作不僅為設計和制備具有良好的HER動力學的Pt基催化劑提供了新方法，而且展示了其在較寬的pH范圍內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化產(chǎn)氫的潛力。

Coupling Interface Engineering with Electronic Interaction toward High-Efficiency H₂ Evolution in pH-Universal Electrolytes, Journal of Energy Chemistry, 2023, DOI: 10.1016/j.jechem.2023.01.060.

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2023.01.060.