近日,先进院在黑磷化学活性和催化应用领域取得新进展,相关成果Rapid Activation of Platinum via Black Phosphorus for Efficient Hydrogen Evolution (黑磷对铂基电化学析氢催化剂的快速活化作用)在线发表于化学领域的顶级刊物Angewandte Chemie International Edition(《德国应用化学》,影响因子11.994)。论文共同第一作者是王欣博士和白力诚博士,通讯作者是喻学锋研究员。论文合作者包括Paul K Chu院士和Seeram Ramakrishna院士等。

氢能作为一种环境友好的能源可用于替代化石燃料,电化学分解水制备氢气是获得氢能有效的方法之一。在电化学析氢领域,铂(Pt)由于其高性能和稳定性,是最有效且难以被取代的析氢反应(HER)催化剂,在氢燃料电池和很多工业催化中几乎无可取代。然而,由于铂在地壳中的储量极低,导致其成本高昂,一克铂的价格高达数百元,严重地阻碍了其大规模工业应用。因此,提高铂的催化效率对铂催化剂开发与应用至关重要。

将异质元素引入金属催化剂可以带来协同配体或应变效应,是改变金属催化剂的改变电子/化学性质的有效方法。但是,铂的结构和化学稳定性使该过程变得困难,通常需要苛刻的条件,例如高温、超高真空或物理溅射/蒸镀,这些对设备要求较高并增加制备成本。此外,以上方法难转变成大规模、低成本且商业上可行的方法。因此,开发有效的策略以精确地控制铂催化剂的电子结构十分具有挑战性。

在本项研究中,喻学锋研究员团队揭示了黑磷对铂催化剂独特的活化作用,利用黑磷与铂之间的独特的强吸附作用所自发形成的铂-磷键,有效调控了铂的电子结构。研究结果表明铂-磷键的形成,对铂纳米颗粒产生强大的协同配体效应,且该成键能力为黑磷所独有,红磷与铂就无法形成铂-磷键。铂-磷键能够促进铂催化剂的d带中心下移,从而改变电化学反应中间体的吸附自由能。通过改变黑磷烯的加入量可实现铂-磷键含量的调控,使得铂催化剂的电化学性能大幅提升。基于这种黑磷的活化作用,只需要很少量的黑磷烯,即可使得铂催化剂的电化学析氢性能提升3.5倍,且反应在室温条件下数分钟内即可完成,表明该铂磷催化剂的巨大应用价值。这项工作还为提升各种铂基催化剂的催化效率提供了新方法,对燃料电池和工业催化等领域都意义重大。研发团队正依托合作企业兴发集团积极推动此类黑磷-金属复合催化剂的工业应用。

本项目得到了国家自然科学基金、中科院前沿重点研究项目、中国博士后科学基金、深圳市基础研究布局等项目的资助。

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