近期，化學(xué)院詹天榮教授課題組在電催化水分解領(lǐng)域取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“Regulating Pt Electronic Properties on NiFe Layered Double Hydroxide Interface for Highly Efficient Alkaline Water Splitting”為題發(fā)表在國際知名期刊Applied Catalysis B: Environmental（中科院一區(qū)TOP期刊，影響因子22.1）。
化學(xué)院2019級碩士生譚磊（現(xiàn)為東華大學(xué)博士生）和東華大學(xué)博士研究生王海鳳、博士生齊春紅為共同第一作者，詹天榮教授和東華大學(xué)李小鵬研究員為共同通訊作者，青島科技大學(xué)為第一完成單位和通訊單位。
開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的陽極析氧反應(yīng)（OER）和陰極析氫反應(yīng)（HER）電催化劑是催化水電解的核心要素。一般認(rèn)為，固體催化劑的理化性質(zhì)，特別是電子結(jié)構(gòu)，直接影響其表面吸附行為，從而決定活性位點(diǎn)的性能。載體與金屬位點(diǎn)之間的電子轉(zhuǎn)移由金屬物種的費(fèi)米能級與載體之間的平衡狀態(tài)所決定。這種電子轉(zhuǎn)移過程直接影響了金屬位點(diǎn)中心的電荷密度和分布，從而對其催化性能產(chǎn)生重要的影響。
在本工作中，作者通過改變硼化和電沉積Pt種類的順序的電子調(diào)控策略制備了不同Pt電子結(jié)構(gòu)負(fù)載的鎳鐵層狀雙氫氧化物（NiFe-LDH）。通過調(diào)控Pt電子結(jié)構(gòu)優(yōu)化了金屬-金屬/金屬-載體之間的相互作用，并解析了電子結(jié)構(gòu)調(diào)控策略對陽極OER和陰極HER的構(gòu)效關(guān)系。電化學(xué)測試表明，具有低價(jià)態(tài)Pt的催化劑（Pt0-NiFe-LDH，即先沉積Pt后硼化的催化劑B-Pt-NiFe-LDH）具有更優(yōu)異的OER性能，在100 mA cm-2時過電位為208 mV，與NiFe-LDH相比，過電位降低了71 mV。而具有高價(jià)態(tài)Pt的催化劑（Pt2+/4+-NiFe-LDH，即先硼化后沉積Pt的催化劑Pt-B-NiFe-LDH）具有更優(yōu)異的HER性能。在10 mA cm-2時的過電位僅有19 mV，與NiFe-LDH相比更是降低了164 mV的過電位，在大電流下性能優(yōu)勢更明顯。這證明了Pt的電子結(jié)構(gòu)對催化反應(yīng)的性能產(chǎn)生了重要影響。
密度泛函理論（DFT）計(jì)算結(jié)果中，差分電荷密度圖顯示在這兩個催化劑中，Pt周圍有非常明顯的電荷再分布；對于Pt0-NiFe-LDH，界面處的Pt有非常明顯的給電子效應(yīng)，而頂端的Pt有很明顯的吸電子現(xiàn)象；對于Pt2+/4+-NiFe-LDH，由于Pt與O直接相連，O的電負(fù)性大于Pt，給電子效應(yīng)更加明顯。另外，可以看到兩個催化劑界面處的Fe位點(diǎn)也有很明顯的電荷遷移現(xiàn)象。態(tài)密度（DOS）圖顯示具有Pt組分的催化劑比純NiFe-LDH在費(fèi)米能級附近有更多的電子數(shù)，也證明了電子發(fā)生了重排。吉布斯自由能臺階圖顯示，這種電子結(jié)構(gòu)調(diào)控降低了OER和HER的能壘，從而分別提高了這兩種催化劑的OER和HER活性。
該體系下不同的電子結(jié)構(gòu)對催化反應(yīng)具有不同的促進(jìn)效應(yīng)，從而證明了通過對電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控可實(shí)現(xiàn)對催化劑電催化性能的優(yōu)化調(diào)整。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123352
該團(tuán)隊(duì)長期致力于電解（海）水制氫相關(guān)方面的研究，近期的其它相關(guān)成果分別發(fā)表在Advanced Functional Materials (2022, 120915), Applied Catalysis B: Environmental (2022, 303, 120915), Inorganic Chemistry (2022, 61, 15256-15265), Journal of Colloid and Interface Science (2022, 618, 141–148; 2022, 613, 349–357; 2022, 599, 370-380)等國際期刊上。
以上工作均得到了山東省自然科學(xué)基金和山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
