近日，中國科學院大連化學物理研究所能源催化轉化全國重點實驗室能源與環境小分子催化研究中心研究員鄧德會和于良團隊與中國科學技術大學教授路軍嶺團隊、大連化物所高效電解水制氫研究組研究員俞紅梅團隊合作，發現鎧甲催化劑表面富集的不對稱π電子具有獨特的限域效應，可同時提升表面限域鉑（Pt）原子的活性和穩定性。基于此，合作團隊設計合成了高活性、高穩定性的電解水制氫催化劑，并組裝了千瓦級質子交換膜電解槽，實現了超低Pt載量、工業大電流密度下的高效酸性電解水制氫。
質子交換膜電解水（PEMWE）是規模化制備綠氫的關鍵技術之一。貴金屬Pt具有適中的氫結合能和優異的耐酸腐蝕性能，在商業PEMWE中通常使用鉑/碳（Pt/C）作為陰極催化劑。然而，在長時間運行或高還原電位條件下，Pt/C催化劑中Pt納米顆粒易發生團聚或從載體上脫落，導致活性位數目減少、整體催化性能衰退。為維持高效、長壽命的電解水過程，往往需要提高Pt載量，這大幅增加了催化劑的成本。
在本工作中，團隊發現單層石墨烯封裝的非貴金屬鈷鎳（CoNi）納米合金鎧甲催化劑結構中，金屬向碳的電子轉移和金屬-石墨烯的電子相互作用可在石墨烯鎧甲表面形成富集的不對稱π電子態。通過原子層沉積技術，團隊在石墨烯鎧甲表面不對稱π電子富集位點實現了單原子Pt的精準沉積。結合多種原位譜學和理論計算研究發現，這種不對稱π電子對Pt原子產生獨特的電子限域效應：一方面，CoNi納米合金通過石墨烯鎧甲向Pt原子的電子轉移使Pt呈富電子狀態，優化了Pt位點氫吸附能，促進了氫氣脫附，提高了Pt位點電催化析氫活性；另一方面，石墨烯表面富集的不對稱π電子與Pt的5d軌道形成強的相互作用，提高了Pt位點的結構穩定性。
團隊利用該新型鎧甲催化劑組裝的PEMWE電解槽在2.02 V（無iR補償）槽電壓下可實現4.0 A cm?2的電流密度，且在2.0 A cm?2電流密度下穩定運行超1,000小時，該電解槽陰極側Pt載量僅為1.2 μgPt cm?2。在進一步放大實驗中，團隊利用該催化劑裝配的2.85千瓦PEMWE電解槽同樣具有優異的催化活性和穩定性，在1.5 A cm?2工業級電流密度下穩定運行超300小時，展現出優異的工業應用潛力。該工作為開發高性能、長壽命、低成本酸性電解水制氫催化劑提供了新思路。
相關研究成果發表在《焦耳》（Joule）上。上述工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、遼寧濱海實驗室、大連化物所創新基金等的資助。
論文鏈接
研究示意圖
通過鎧甲催化劑表面電子限域效應實現高效酸性電解水制氫
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