电催化析氢(HER)过程可以将太阳能、风能等间接能源转化为化学能，减少化石能源消耗和环境污染。Pt基催化剂在酸性HER中的地位是不可取代的。但Pt的稀缺性和高成本，以及电催化过程中的过早衰变，阻碍了Pt基催化剂的进一步发展。目前，用简单的方法合成具有优良活性比表面积、比活性和稳定性的铂基电催化剂仍然是一个巨大的挑战。

近日，青岛科技大学王磊教授，赖建平教授课题组报道了一种超快的无溶剂微波方法，合成的紧密堆积的、超细(3 nm)合金展现出优异的酸性析氢反应性能。在国际知名学术期刊Small (IF=13.281)上发表题为“Super-fast synthesis of densely packed and ultrafine Pt-lanthanide@KB via solvent-free microwave as efficient hydrogen evolution electrocatalysts”的文章。

本文首次在家用微波炉中合成紧密堆积的超细合金Pt-Lanthanide@Ketjen Black (PtM@KB, M =La, Gd, Tb, Er, Tm和Yb)，用作析氢反应催化剂。整个加热过程仅需30秒，化合物的组成比例可大范围调整。优化后的Pt₆₁La₃₉@KB在0.5 M H₂SO₄电解液中具有38 mV (10 mA cm^-2)的低过电位和44.13 s^-1(100 mV)的高TOF值，在1.0 M KOH电解液中也具有良好的析氢活性。该方法同样也适用于在碳布(CC)上直接生长催化剂。PtLa@CC在0.5 M H₂SO₄中表现出99 mV (1000 mA cm^-2)的低过电位，500 h后仍能保持电催化活性。理论计算表明，PtLa@KB中较高的Pt原子表面空位形成能有助于提高其耐久性，ΔG_H*的最佳值有利于提高催化剂的HER活性。本工作提供了一种简单、快速的无溶剂微波策略，为制备超细合金催化剂及其大电流工业化生产应用提供研究思路。

图1. Pt₆₁La₃₉@KB的表征。a) TEM图像。b) HRTEM图像。c) TEM元素映射。d) XRD图谱。e) XPS Pt 4f图谱。f) XPS La 3d图谱。

图2. PtM@KB和商用Pt/C在0.5 M H₂SO₄电解液中的HER性能。a)极化曲线。b)塔菲尔斜率图。c) -0.07 V vs. RHE质量活性对比图。d) -0.07 V versus RHE比活性对比图。e) 10000 CV循环前后的极化曲线。f)电位为-0.04 V versus RHE时的计时安培曲线。

该文以青岛科技大学为第一单位，青岛科技大学王磊教授、赖建平教授为论文的共同通讯作者，博士研究生聂楠竹为第一作者。

论文信息：

Nanzhu Nie, et al, Superfast Synthesis of Densely Packed and Ultrafine Pt–Lanthanide@KB via Solvent-Free Microwave as Efficient Hydrogen Evolution Electrocatalysts, Small 2021

DOI: 10.1002/small.202102879

https://doi.org/10.1002/smll.202102879