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中國科學技術大學團隊通過調控局域反應環境實現高效析氫
近日，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室閆文盛教授研究組與孫治湖副研究員合作，提出了通過調控催化劑的反應環境來優化催化劑催化性能的技術策略。在實驗上，將此策略應用到了負載於MgO納米片上的Pt納米顆粒催化劑，突破了其在堿性溶液中，析氫反應（HER）活性低的內在缺陷。相關研究成果以“Engineering a local acid-like environment in alkaline medium for efficient hydrogen evolution reaction”為題發表在國際著名學術期刊《自然-通訊》上（Nat. Commun. 2022, doi.org/10.1038/s41467-022-29710-w）。
電化學以其低反應活化能、高反應速率和高能量效率的特點在能源的轉化與存儲中發揮著重要作用。目前為止，大部分研究工作主要是通過各種方法改善催化劑本征活性來提高電極反應效率，例如，調控晶麵、外來原子摻雜、創建雙活性位點、工程缺陷和應變等。事實上，催化劑周圍的局部反應環境在電極反應過程中也起著至關重要的作用（通常被忽略）。因此，通過固-液界麵之間的多種物理化學作用來調節局部反應環境，將是提高電催化性能和設計高效電催化劑的一種新途徑。
圖1.原位多譜學解析局域類酸性環境形成的微觀機製。（a）原位Raman譜圖，(b)原位SR-FTIR譜圖，（c）原位ΔXANES譜圖,（d）Pt 4f XPS譜圖, (e) Pt L3-edge XANES譜圖, (f) Pt納米粒子和載體（VO-MgO和石墨）之間電子轉移示意圖。
基於此，該研究團隊以Mg-MOF為前驅體，利用兩步浸漬-熱解的方法合成了負載在VO-MgO納米片上的Ptδ-納米顆粒催化劑，並將其用於堿性介質中的析氫反應。電化學測試表明Pt/MgO催化劑具有優異的HER活性，在電流密度為10 mA cm−2時，過電位隻有39 mV，顯著低於20 wt% Pt/C的過電位（62 mV）。利用原位拉曼光譜、同步輻射紅外光譜和X射線吸收光譜表明該催化劑能夠在堿性介質中產生局部的酸性環境（圖1），並獲得了與Pt/C在酸性介質中相當的析氫反應(HER)性能。結合理論計算，提出了Pt/MgO催化劑在堿性介質中顯示出優異HER性質的微觀機製：首先，VO-MgO有利於水的離解和負價Ptδ-物種的形成。然後，由於靜電相互作用，H3O+會向Ptδ−附近遷移並聚集，從而在堿性介質中形成局部類酸性反應環境（圖2）。這種局部酸性環境為鉑在堿性電解質中提供了良好的反應條件，從而實現了高效HER活性。
圖2.反應機理示意圖。
這項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金、中國科學院合肥大科學中心等項目的支持，也得到了合肥國家同步輻射實驗室、上海和北京同步輻射裝置測試機時的支持。
（來源：中國科學技術大學）
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