深圳先進(jìn)院揭示黑磷化學(xué)活性構(gòu)建高效鉑磷催化劑的機(jī)制
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員喻學(xué)鋒課題組在黑磷化學(xué)活性和催化應(yīng)用領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以Rapid Activation of Platinum via Black Phosphorus for Efficient Hydrogen Evolution（《黑磷對鉑基電化學(xué)析氫催化劑的快速活化作用》）為題在線發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。論文共同第一作者是博士王欣和白力誠，通訊作者是喻學(xué)鋒。論文合作者包括Paul K Chu和Seeram Ramakrishna等。
氫能作為一種環(huán)境友好的能源可用于替代化石燃料，電化學(xué)分解水制備氫氣是獲得氫能的有效方法之一。在電化學(xué)析氫領(lǐng)域，鉑（Pt）由于其高性能和穩(wěn)定性，是最有效且難以被替代的析氫反應(yīng)（HER）催化劑，在氫燃料電池和很多工業(yè)催化中幾乎無可替代。然而，由于鉑在地殼中的儲量極低，導(dǎo)致其成本高昂，一克鉑的價(jià)格高達(dá)數(shù)百元，嚴(yán)重地阻礙了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。因此，提高鉑的催化效率對鉑催化劑開發(fā)與應(yīng)用至關(guān)重要。
將異質(zhì)元素引入金屬催化劑可以帶來協(xié)同配體或應(yīng)變效應(yīng)，是改變金屬催化劑的電子/化學(xué)性質(zhì)的有效方法。但是，鉑的結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)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(shè)備的高要求增加了其制備成本。此外，以上方法很難轉(zhuǎn)變成大規(guī)模、低成本且商業(yè)上可行的方法。因此，開發(fā)有效的策略以精確地控制鉑催化劑的電子結(jié)構(gòu)十分具有挑戰(zhàn)性。
在該項(xiàng)研究中，喻學(xué)鋒團(tuán)隊(duì)揭示了黑磷對鉑催化劑獨(dú)特的活化作用，利用黑磷與鉑之間獨(dú)特的強(qiáng)吸附作用所自發(fā)形成的鉑-磷鍵，有效調(diào)控了鉑的電子結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明鉑-磷鍵的形成，對鉑納米顆粒產(chǎn)生強(qiáng)大的協(xié)同配體效應(yīng)，且該成鍵能力為黑磷所獨(dú)有，紅磷與鉑就無法形成鉑-磷鍵。鉑-磷鍵能夠促進(jìn)鉑催化劑的d帶中心下移，從而改變電化學(xué)反應(yīng)中間體的吸附自由能。通過改變黑磷烯的加入量可實(shí)現(xiàn)鉑-磷鍵含量的調(diào)控，使得鉑催化劑的電化學(xué)性能大幅提升?；谶@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(xué)析氫性能提升3.5倍，且在室溫條件下該反應(yīng)數(shù)分鐘內(nèi)即可完成，這表明該鉑磷催化劑具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)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(yè)催化等領(lǐng)域的研究都具有重要意義。研發(fā)團(tuán)隊(duì)正依托合作企業(yè)興發(fā)集團(tuán)積極推動此類黑磷-金屬復(fù)合催化劑的工業(yè)應(yīng)用。
該項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金、中科院前沿重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究布局項(xiàng)目等的資助。
黑磷活化鉑催化劑的性能示意圖
