增强能量转换Pt-Co@NCS催化剂表现出增强碱性氢释放的协同作用

《材料未来》杂志发表的一项研究介绍了Pt-Co@NCS催化剂，展示了氮掺杂碳支架上Pt纳米粒子和Co单原子之间的显著协同作用。这种创新设计克服了水分解缓慢的障碍，在碱性析氢反应(HER)中表现出色。

Pt-Co@NCS催化剂的电流密度为162.8mAcm-2，塔菲尔斜率为26.2mVdec-1，质量活性高达15.75mAμgPt-1，标志着氢分解效率的显著提升。这些发现为可持续能源解决方案带来了光明的未来。

近年来，创新催化剂已被设计用于增强传统氧化物载体(如CeO2、TiO2和SiO2)上Pt组界面的局部环境。然而，这些氧化物载体不如碳载体，因为电荷转移有限，并且在高电流密度下内阻会产生额外的能量损失。

为了提高水分解动力学，人们开始使用纳米结构氮掺杂碳载体。这种方法已证明在氮掺杂缺陷位点处与水具有协同作用，从而显著提高了HER性能。

该研究报告成功合成了一种创新的Pt-Co@NCS催化剂，克服了传统水解离速度慢的瓶颈。

本文作者构建了一种用于碱性HER的含有Co单原子和Pt纳米粒子的分级多孔N掺杂碳支架(NCS)催化剂。多孔结构是通过间苯二胺的聚合和氧化硅涂层的蚀刻产生的。Pt和Co前体随后在NCS的密闭空间中热解，转化为微小的Pt纳米粒子和原子分散的Co-N4位点。

其优异性能的关键在于独特的多孔凹面结构与富氮缺陷表面的结合，共同增强了Pt位点周围的亲水性和催化相互作用。这种独特的结构还最大限度地减少了金属物种的潜在聚集，增强了Pt-Co@NCS的长期活性和稳定性。

Pt纳米粒子和Co单原子的协同作用，以及纳米级几何效应，通过促进碱性环境中OH-吸附到Co单原子上，显著增强了水的解离。严格的CO剥离和氘标记实验证实了与这些协同作用相关的促进水解离途径。这项研究强调了定制催化位点周围的微环境(尤其是对于碱性应用)对提高活性和稳定性的重要作用。

基于Pt-Co@NCS催化剂在碱性介质中提高HER效率的有效性，单原子和晶体协同催化材料开发的未来前景十分光明。该领域有望进一步探索高密度原子分散金属催化剂在各种材料上的巨大潜力。

未来的研究可以集中于多样化基底中的金属原子和掺杂元素类型，以定制除HER之外的特定反应的催化性能，以及探索这些催化剂的长期稳定性和可扩展性。此外，开发用于在原子水平上监测协同催化过程的原位和实时技术对于了解催化剂微环境内的动态相互作用至关重要。

通过这些努力，催化界很可能在创造更高效、更耐用、更经济的催化剂以支持可持续能源技术方面取得重大进展。