Pt合金催化剂的制备及其电催化性能研究

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研究稳定高效的阴极析氢反应(HER)催化剂是降低电解水能耗的重要途径之一。目前,Pt合金催化剂极具商业化潜力。然而,Pt合金仍有不足之处:在碱性环境中,Pt合金裂解水的能力较弱,使其难以捕获氢中间体(H*),从而减缓HER反应动力学;而在酸性环境中,Pt合金由于本身过强的H*吸附能力,使其H*的脱附过程中需要克服更高的能垒。此外,Pt合金在酸性环境中容易被腐蚀,稳定性差等问题进一步限制了其在HER中应用。为解决上述问题,我们通过构筑异质结构,调节晶体有序化程度等手段,有效平衡Pt合金在酸碱性环境中H*的吸脱附能力并增强稳定性,以获得高效且稳定的HER的催化剂。具体内容如下:(1)首先,调控Pt2Co合金纳米颗粒粒径及合金化程度,调节其电子结构,加快其电荷转移速率并促进了HER催化活性。在此基础上,在Pt2Co合金表面原位生成非晶态CoOx,得到异质结构的Pt2Co@CoOx纳米催化剂。由于CoOx与Pt2Co合金间的协同作用,CoOx加速了碱性环境中水的H-OH键断裂,同时Pt2Co合金更容易与H*成键,从而促进了HER过程。通过调节Pt2Co合金在空气气氛中的热处理时间,我们发现热处理时间为30 min的Pt2Co/C-HA30催化剂表现出最优的HER催化活性,这归因于热处理过程中CoOx的生成。当热处理时间进一步延长,非晶态CoOx向晶态Co3O4转变,减弱了其协同作用并降低催化活性。(2)其次,我们对Pt2Co/C-HA30进行磷化处理并调节样品与磷源的比例,得到磷化程度不同的Pt2Co@CoxP异质结构催化剂。Pt2Co合金表面生成的磷化物CoxP进一步促进了Pt2Co对H*的捕获,加速了Volmer步骤,使Pt2Co/C-3P(样品与磷源比例为1:3)在碱性条件下表现出最佳的HER催化活性;在酸性条件下,CoxP不仅改善了催化剂的本征活性,还有利于催化剂稳定性的提高。(3)最后,在Ar/H2气氛下对Pt3Co/NG进行热处理,利用氮掺杂石墨烯(NG)限制合金在热处理时的长大和聚集,成功地在NG上负载了Pt3Co有序合金纳米颗粒(Pt3Co/NG-700)。与无序的Pt3Co合金(Pt3Co/NG-500)和商业Pt/C催化剂相比,Pt3Co/NG-700表现出更高的HER催化活性和稳定性。DFT计算证明Pt3Co/NG-700催化剂中的Pt3Co有序合金加速了酸性条件下H*的脱附并促进了H*的吸脱附平衡,因此表现出极佳的HER催化性能。
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