設(shè)計(jì)具有成本效益、高活性和耐用的鉑 (Pt) 基電催化劑是電化學(xué)析氫反應(yīng) (HER) 的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。最近，中山大學(xué)楊靜特聘副研究員/劉衛(wèi)教授/鄭治坤教授合作團(tuán)隊(duì)共同從溶劑熱法獲得的氧化鎢/還原氧化石墨烯氣凝膠（WGA），開(kāi)發(fā)了具有優(yōu)異 HER 活性和耐久性的低含量 Pt（0.8 wt%）/氧化鎢/還原氧化石墨烯氣凝膠（LPWGA）電催化劑。
具有豐富氧空位和分級(jí)孔的 WGA 載體起到錨定 Pt 納米粒子、提供連續(xù)傳質(zhì)和電子傳遞通道以及調(diào)節(jié) Pt 表面電子狀態(tài)的作用，這使 LPWGA 具有高 HER 活性和耐久性。即使在 0.81 μgPt cm?2 的低負(fù)載下，LPWGA 也表現(xiàn)出高HER 活性，在 10 mA cm?2下的過(guò)電位為 42 mV，在 10000 循環(huán)循環(huán)伏安法和 10 mA c m?2下的 40 h 計(jì)時(shí)電位法下具有出色的穩(wěn)定性，低塔菲爾斜率（30 mV dec-1），以及在 η = 50 mV 時(shí) 29.05 s-1 的高周轉(zhuǎn)頻率，這遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè) Pt/C 和低含量 Pt/還原氧化石墨烯氣凝膠。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)高性能 Pt 基電催化劑提供了一種新策略，大大減少了 Pt 的使用。成果“Tungsten Oxide/Reduced Graphene Oxide Aerogel with Low-Content Platinum as High-Performance Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction”發(fā)表在期刊《Small》。
【主圖導(dǎo)讀】
示意圖1，合成 WGA 和 LPWGA 的過(guò)程示意圖。
圖1 3D 多孔 WGA 的 a) SEM和 b) TEM 圖像。c) 通過(guò)后續(xù)處理獲得的 GA、WGA、LPGA 和 LPWGA 的 XRD 圖。紅線(xiàn)屬于 Pt 的 PDF 卡 #04-0802，黑線(xiàn)屬于 WO3 的 PDF #85-2459。d) LPWGA 和 WGA 的 EPR 表征。e) LPWGA 的 TEM 圖像與 Pt 納米顆粒的尺寸分布。f) WGA 上 Pt 納米顆粒的高分辨率 TEM 圖像。
圖2 LPWGA 的 HAADF-STEM 圖像和基于 EDX 的元素分布。
圖3 a) LPWGA、LPGA 和 Pt/C 的 Pt 4f XPS 光譜。b) LPWGA 和 WGA 的 W 4f XPS 光譜。
圖4. a) 基于工作電極在 0.5 M H2SO4 中的幾何面積的 LPWGA、WGA、LPGA 和商用 Pt/C 的 HER 極化曲線(xiàn)；b) Tafel 斜率，c) 質(zhì)量活動(dòng)（在 50 mV 和 70 mV 的過(guò)電位下），以及 d) 在 0.5 M H2SO4 中獲得的 LPWGA、LPGA 和 Pt/C 開(kāi)路電位的奈奎斯特圖；e) LPWGA 的 HER 極化曲線(xiàn)以 50 mV s-1 的掃描速率在 -0.1 V 至 0.1 V范圍內(nèi)進(jìn)行 10000 CV 掃描之前和之后測(cè)量。f) LPWGA、LPGA 和 Pt/C 在 10 mA cm-2 電流密度下的計(jì)時(shí)電位測(cè)試。
【總結(jié)】
Pt 調(diào)制電子結(jié)構(gòu)、分層多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)、溢出效應(yīng)和 WO3-x/石墨烯氣凝膠 (WGA) 的錨定效應(yīng)的集合賦予 LPWGA 高活性位點(diǎn)、快速傳質(zhì)和電子轉(zhuǎn)移、加速遷移將活性位點(diǎn)的*H吸附到WO3-x上，并使Pt納米顆粒在WGA上良好分散，從而提高了Pt的利用率，促進(jìn)了整體HER動(dòng)力學(xué)，并提高了Pt納米顆粒的穩(wěn)定性。當(dāng)用作 HER 的電催化劑時(shí)，LPWGA 在 10 mA cm-2 下顯示出 42 mV 的低過(guò)電位，28.70 A mgPt-1 的高質(zhì)量活性，以及在 η = 50 mV 時(shí) 29.05 s-1 的大轉(zhuǎn)換頻率，比沒(méi)有 WO3-x 的商業(yè) Pt/C 和相應(yīng)的 LPGA 好得多。此外，即使在 10000 次循環(huán)伏安循環(huán)和 40 小時(shí)計(jì)時(shí)電位測(cè)量（10 mA cm-2）之后，LPWGA 也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性并保持其 HER 活性。目前的工作提供了一種基于氣凝膠材料的高效且具有成本效益的方法來(lái)設(shè)計(jì)具有高活性和良好穩(wěn)定性的優(yōu)異低 Pt 含量 HER 電催化劑。
參考文獻(xiàn)：doi.org/10.1002/smll.202102159
