近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)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(diào)控催化劑的反應(yīng)環(huán)境來優(yōu)化催化劑催化性能的技術(shù)策略。在實(shí)驗(yàn)上，將此策略應(yīng)用到了負(fù)載于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(yīng)（HER）活性低的內(nèi)在缺陷。相關(guān)研究成果以“Engineering a local acid-like environment in alkaline medium for efficient hydrogen evolution reaction”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》上（Nat. Commun. 2022, doi.org/10.1038/s41467-022-29710-w）。

電化學(xué)以其低反應(yīng)活化能、高反應(yīng)速率和高能量效率的特點(diǎn)在能源的轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)中發(fā)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(yīng)效率，例如，調(diào)控晶面、外來原子摻雜、創(chuàng)建雙活性位點(diǎn)、工程缺陷和應(yīng)變等。事實(shí)上，催化劑周圍的局部反應(yīng)環(huán)境在電極反應(yīng)過程中也起著至關(guān)重要的作用（通常被忽略）。因此，通過固-液界面之間的多種物理化學(xué)作用來調(diào)節(jié)局部反應(yīng)環(huán)境，將是提高電催化性能和設(shè)計(jì)高效電催化劑的一種新途徑。

圖1.原位多譜學(xué)解析局域類酸性環(huán)境形成的微觀機(jī)制。（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（V_O-MgO和石墨）之間電子轉(zhuǎn)移示意圖。

基于此，該研究團(tuán)隊(duì)以Mg-MOF為前驅(qū)體，利用兩步浸漬-熱解的方法合成了負(fù)載在V_O-MgO納米片上的Pt^δ-納米顆粒催化劑，并將其用于堿性介質(zhì)中的析氫反應(yīng)。電化學(xué)測試表明Pt/MgO催化劑具有優(yōu)異的HER活性，在電流密度為10 mA cm⁻²時(shí)，過電位只有39 mV，顯著低于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(zhì)中產(chǎn)生局部的酸性環(huán)境（圖1），并獲得了與Pt/C在酸性介質(zhì)中相當(dāng)?shù)奈鰵浞磻?yīng)(HER)性能。結(jié)合理論計(jì)算，提出了Pt/MgO催化劑在堿性介質(zhì)中顯示出優(yōu)異HER性質(zhì)的微觀機(jī)制：首先，V_O-MgO有利于水的離解和負(fù)價(jià)Pt^δ-物種的形成。然后，由于靜電相互作用，H₃O⁺會(huì)向Pt^δ−附近遷移并聚集，從而在堿性介質(zhì)中形成局部類酸性反應(yīng)環(huán)境（圖2）。這種局部酸性環(huán)境為鉑在堿性電解質(zhì)中提供了良好的反應(yīng)條件，從而實(shí)現(xiàn)了高效HER活性。

圖2.反應(yīng)機(jī)理示意圖。

這項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、中國科學(xué)院合肥大科學(xué)中心等項(xiàng)目的支持，也得到了合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、上海和北京同步輻射裝置測試機(jī)時(shí)的支持。

論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-29710-w