实现高效酸性电解水制氢的科学家

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员邓德会和研究员于良团队与中国科技大学教授路军岭团队、大连化学物理研究所研究员俞红梅团队合作，发现盔甲催化剂表面不对称。π电子产品具有独特的限域效应，可以同时提高表面限域铂(Pt)原子的活性和稳定性。基于此，合作团队设计合成了高活性、高稳定性的电解水氢催化剂，并组装了千瓦级质子交换膜电解槽，实现了工业大电流密度下超低Pt载量和高效酸性电解水氢的生产。相关结果发表在焦耳上。

电解水质子交换膜(PEMWE)它是绿色氢气大规模制备的关键技术之一。贵金属Pt具有适度的氢结合能力和优异的耐酸腐蚀性，铂/碳通常用于商业PEMWE。(Pt/C)作为阴极催化剂。但是，在长时间运转或高还原电位的情况下，PtPt纳米颗粒在/C催化剂中容易团聚或从载体上脱落，导致活性位数减少，整体催化性能下降。为了保持电解水的高效和长寿命，往往需要增加Pt载量，这大大增加了催化剂的成本。

在这项工作中，团队发现单层石墨烯包装的非贵金属钴镍(CoNi)在纳米合金铠甲催化剂结构中，金属向碳的电子转移和金属-石墨烯的电子相互作用可以在石墨烯铠甲表面形成丰富的不对称。π电子状态。团队在石墨烯盔甲表面通过原子层沉积技术不对称。π单原子Pt的精确沉积是通过电子富集点实现的。随后，团队结合各种原位谱和理论计算研究，发现这种不对称。π电子对Pt原子产生独特的电子限域效应:一方面，CoNi纳米合金通过石墨烯盔甲将Pt原子的电子转移到Pt中，使Pt处于丰富的电子状态，优化了Pt位点的氢吸附能量，促进了氢脱附，提高了Pt位点电催化析氢活性;另一方面，石墨烯表面丰富的不对称πPt的5d轨道在电子和Pt之间形成强大的相互作用，提高了Pt位点的结构稳定性。

PEMWE电解槽由该新型盔甲催化剂组装而成，2.02 在V槽电压下可实现4.0 A cm?电流密度为2.0。 A cm?2电流密度稳定运行超过1,000小时。在进一步放大实验中，该团队使用该催化剂组装的2.85千瓦PEMWE电解槽具有优异的催化活性和稳定性，在1.5千瓦。 A cm?2在工业级电流密度下稳定运行超过300小时，显示出良好的工业应用潜力。

这项工作为开发高性能、长寿命、低成本的酸性电解水氢催化剂提供了新的思路。