Small Structures:低载量Pt纳米团簇锚定在石墨烯空心球上用于高效析氢

氢气是一种重要的高热值、零污染的可再生能源。电催化分解水制氢是目前为止产生H2的主要方法之一。在水裂解过程中,往往需要合适的催化剂来促进阴极的析氢反应 (HER)。迄今为止,Pt基金属被认为是元素周期表中对HER的催化活性最高的金属,其中Pt/C催化剂常被用作HER的商业催化剂。高性能Pt基催化剂不仅取决于铂的内在活性,而且还取决于铂的负载量。一般情况下,高载量的Pt催化剂在HER中表现出较高的电催化活性。由于Pt元素在地壳中储量稀少,价格较高,金属载量高则会极大地限制Pt基催化剂的广泛应用。为了克服这一缺陷,我们需要找到一种便宜的Pt催化剂替代品,或者降低Pt的金属负载来提高HER电催化剂的催化性能。

除了有活性组分外,选择合适的载体也非常重要。石墨烯是一种理想的二维载体材料,它除了导电率高、比表面积大外,还具有较高的机械强度,有利于提高催化剂的电化学稳定性和结构稳定性。而二维的石墨烯极易折叠重组,且这一过程是不可逆的,极大地丧失了催化剂的比表面积和活性位点。模板法构建三维石墨烯可以弥补二维石墨烯的上述缺陷。

南京师范大学化学与材料科学学院唐亚文课题组针对这一问题,通过空间约束效应和模板法,构建并开发了负载有功能化Pt纳米团簇(Pt/GHSs)的石墨烯空心球,作为析氢反应的高效电催化剂。与传统的制备方法不同,本工作没有添加额外的还原剂,氧化态Pt的还原直接通过高温煅烧进行。模板和石墨烯之间的间隙是PtCl42-前体的空间障碍,限制了金属铂在热处理过程中的聚集,最终在空心石墨烯表面形成Pt纳米团簇。

所制得的Pt/GHSs具有与商用Pt/C相当的优异的HER活性和良好的电化学稳定性。这优异的电催化性能主要归因于3D空心石墨烯结构和较小粒径的Pt纳米团簇的协同效应。Pt纳米团簇粒径极小,只有2-5 nm,Pt的载量仅为商业化Pt/C的五分之一,显著降低了催化剂的生产成本,使大规模商业化生产成为了可能。相关结果发表在Small Structures(DOI: 10.1002/sstr.202000017)上。