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科研進展

深圳先進院成功揭示黑磷化學活性構建高效鉑磷催化劑

  

  近日,中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒研究員課題組在黑磷化學活性和催化應用領域取得新進展,相關成果以Rapid Activation of Platinum via Black Phosphorus for Efficient Hydrogen Evolution (黑磷對鉑基電化學析氫催化劑的快速活化作用)為題在線發表于化學領域的頂級刊物Angewandte Chemie International Edition(《德國應用化學》,影響因子11.994)。論文共同第一作者是王欣博士和白力誠博士,通訊作者是喻學鋒研究員。論文合作者包括Paul K Chu院士和Seeram Ramakrishna院士等。 

  氫能作為一種環境友好的能源可用于替代化石燃料,電化學分解水制備氫氣是獲得氫能有效的方法之一。在電化學析氫領域,鉑(Pt)由于其高性能和穩定性,是最有效且難以被替代的析氫反應(HER)催化劑,在氫燃料電池和很多工業催化中幾乎無可替代。然而,由于鉑在地殼中的儲量極低,導致其成本高昂,一克鉑的價格高達數百元,嚴重地阻礙了其大規模工業應用。因此,提高鉑的催化效率對鉑催化劑開發與應用至關重要。 

  將異質元素引入金屬催化劑可以帶來協同配體或應變效應,是改變金屬催化劑的電子/化學性質的有效方法。但是,鉑的結構和化學穩定性使該過程變得困難,通常需要高溫、超高真空或物理濺射/蒸鍍等苛刻的條件,對設備的高要求增加了其制備成本。此外,以上方法很難轉變成大規模、低成本且商業上可行的方法。因此,開發有效的策略以精確地控制鉑催化劑的電子結構十分具有挑戰性。 

  在本項研究中,喻學鋒研究員團隊揭示了黑磷對鉑催化劑獨特的活化作用,利用黑磷與鉑之間的獨特的強吸附作用所自發形成的鉑-磷鍵,有效調控了鉑的電子結構。研究結果表明鉑-磷鍵的形成,對鉑納米顆粒產生強大的協同配體效應,且該成鍵能力為黑磷所獨有,紅磷與鉑就無法形成鉑-磷鍵。鉑-磷鍵能夠促進鉑催化劑的d帶中心下移,從而改變電化學反應中間體的吸附自由能。通過改變黑磷烯的加入量可實現鉑-磷鍵含量的調控,使得鉑催化劑的電化學性能大幅提升。基于這種黑磷的活化作用,只需要很少量的黑磷烯,即可使得鉑催化劑的電化學析氫性能提升3.5倍,且在室溫條件下該反應數分鐘內即可完成,這表明該鉑磷催化劑具有巨大的應用價值。這項工作還為提升各種鉑基催化劑的催化效率提供了新方法,對燃料電池和工業催化等領域的研究都意義重大。研發團隊正依托合作企業興發集團積極推動此類黑磷-金屬復合催化劑的工業應用。 

  本項目得到了國家自然科學基金、中科院前沿重點研究項目、中國博士后科學基金、深圳市基礎研究布局等項目的資助。 

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201911696   

圖:黑磷活化鉑催化劑的性能示意圖 

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