電化學(xué)水分解是一種前景廣闊的制氫方法。但是，陽極析氧反應(yīng)(OER)的緩慢動力學(xué)限制了電解制氫的整體效率，從而導(dǎo)致電解過程的總能耗較高。同時(shí)，貴金屬Pt基催化劑具有優(yōu)異的電化學(xué)活性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性等電催化性能，被認(rèn)為是良好的水分解電催化劑，但其高昂的價(jià)格和稀缺的儲量限制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。因此，開發(fā)低Pt負(fù)載量的雙功能催化劑用于有機(jī)物-水共電解析氫成為替代傳統(tǒng)水電解的有效策略，其不僅可以通過降低槽電壓來降低析氫的能耗，還可以在陽極同時(shí)獲得高附加值的有機(jī)化學(xué)產(chǎn)物(例如將CH3OH氧化為HCOOH)，使該反應(yīng)具有學(xué)術(shù)和工業(yè)意義。
近日，深圳大學(xué)駱靜利和趙斌等通過界面工程改變催化劑的電子結(jié)構(gòu)，合成了雙單分散Pt-Ni3S2異質(zhì)納米晶(DMD Pt-Ni3S2 HNCs)作為雙功能催化劑。具體而言，研究人員通過熱注入的方法，將尺寸約為2 nm的二級單分散Pt納米晶與尺寸約為9.6 nm的初級單分散Ni3S2納米晶通過化學(xué)作用異質(zhì)結(jié)合，在致密的異質(zhì)界面處形成具有豐富晶格缺陷的“DMD Pt-Ni3S2 HNCs”作為電荷輸運(yùn)通道。這些異質(zhì)結(jié)界面可以進(jìn)一步誘導(dǎo)產(chǎn)生豐富的活性位點(diǎn)，從而提高催化劑的催化活性，對于研究甲醇氧化和氫反應(yīng)的機(jī)理具有重要意義。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成的“DMD Pt-Ni3S2 HNCs”在1.45 VRHE下能選擇性地催化CH3OH生成更有價(jià)值的化合物(HCOOH)，電流密度達(dá)到100 mA cm-2，以及具有較高的法拉第效率(FE>98%)。
值得注意的是，由于精細(xì)的界面電子調(diào)制和雙單分散特性，“DMD Pt-Ni3S2 HNCs”表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能活性，其在1.0 M KOH溶液中達(dá)到10 mA cm-2電流密度所需的HER過電位僅為61 mV。此外，實(shí)驗(yàn)研究和理論分析表明，“DMD Pt-Ni3S2 HNCs“表面Pt納米晶的存在對促進(jìn)和穩(wěn)定高價(jià)Ni位點(diǎn)起著至關(guān)重要的作用，并進(jìn)一步加速了析氫過程中H*的轉(zhuǎn)化和H2的脫附，顯著提升了HER活性。
總之，高分散的Pt納米晶與Ni3S2納米晶之間的界面提供了強(qiáng)大的電子相互作用，使具有協(xié)同活性位點(diǎn)的“DMD Pt-Ni3S2 HNCs“在雙功能電催化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能和選擇性，最終實(shí)現(xiàn)了甲酸鹽和氫氣的同時(shí)生成。
Interfacial electronic modulation of dual-monodispersed Pt–Ni3S2 as efficacious bi-functional electrocatalysts for concurrent H2 evolution and methanol selective oxidation. Nano-Micro Letters, 2024. DOI: 10.1007/s40820-023-01282-4
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