面向国际前沿和国家重大需求，且在“双碳”背景条件下使得清洁能源的使用显得尤为迫切。氢气是一种清洁、环保和可再生的能源，且比能量密度高达142.35 kJ/kg，是不可再生化石燃料的理想替代品。电解水制氢被认为是最有希望且可持续发展的制氢技术。数十年来，缺乏价格昂贵且活性低的商业化Pt/C催化剂的替代品，是制约大规模电催化制氢的关键因数之一。如何降低催化剂的成本，同时得到兼具高效、稳定和大电流密度的析氢反应（HER）催化剂，这不仅具有重要的理论研究价值，而且对实际生产应用亦具有重大的现实意义。
2022年7月20日，我院化学系廉孜超特聘教授带领青年教师杨伟伟及团队人员在电解水制氢催化领域取得重要进展，相关研究成果以《钴–铂合金调控单原子铂开发高效析氢反应》（Tuning the cobalt–platinum alloy regulating single-atom platinum for highly efficient hydrogen evolution reaction）为题发表于国际高水平期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。论文第一作者为上海理工大学材料与化学学院杨伟伟、程平、李召、林运祥，通讯作者为廉孜超特聘教授、上海师范大学李和兴教授。该论文还要特别感谢李贵生教授、化学系、材料与化学学院各位老师及诸多合作者的指导和帮助。
图1 CoPt-PtSA/NDPCF催化剂的合成示意图
针对商业化Pt/C催化剂活性低、循环稳定性差、Pt有效利用率低和电流密度小等诸多问题，设计得到了一种单原子Pt（PtSA）协同CoPt合金封装于氮掺杂多孔碳框架（CoPt-PtSA/NDPCF）的电催化剂，实现了在超高电流密度下高效电解水制氢，见图1。CoPt-PtSA/NDPCF催化剂的主要优势概括如下：1）将Pt制备成单原子，Pt的质量活性高达19.30 A mg−1，约为商业化10% Pt/C的33.86
；2）PtSA协同CoPt后催化剂的电流密度高达1000mA cm−2，是商业化Pt/C的2倍；3）Pt载量为0.42 wt%，其成本约为10% Pt/C的8%；4）单位时间产氢量约为10% Pt/C的32.05
（V = −0.05 V vs. RHE）；5）经过100 h或10,000次CV循环后，电催化活性没有明显衰减，表现出了优异的循环稳定性，见图2。CoPt-PtSA/NDPCF的电催化HER原理见图3。
图2 CoPt-PtSA/NDPCF催化剂和其它催化剂在1 M KOH碱性条件下的电化学性能对比
图3 CoPt-PtSA/NDPCF催化剂在碱性条件下的HER机理图
同步辐射光谱（EXAFS）进一步表明Pt在CoPt-PtSA/NDPCF催化剂中以PtSA和CoPt合金两种形成存在。对应的EXAFS拟合曲线表明PtSA与两个N进行配位，这也是催化剂电催化HER活性高的原因。DFT计算进一步表明PtSA与CoPt合金的协同作用下具有较高的d带占用率，提供了更多的自由电子来提高H*转化率，从而促进了析氢反应动力学，如图4。
图4 EXAFS，EXAFS拟合曲线和DFT计算模型及ΔGH*图。
本研究工作为设计具有金属单原子和合金协同效应的异质结构开辟了一条新的途径，也为开发出面向工业化大电流密度的高活性，高稳定性和价格低廉的电催化HER催化剂材料提供了可能。该研究得到了国家自然科学基金（21905013和22109097）、上海市自然基金（22ZR1444200和20ZR1472000）和上海浦江人才计划（20PJ1411800）等项目的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202205920#
文章信息：Yang, W.; Cheng, P.; Li, Z.; Lin, Y.; Li, M.; Zi, J.; Shi, H.; Li, G.; Lian, Z.; Li, H., Tuning the Cobalt–Platinum Alloy Regulating Single-Atom Platinum for Highly Efficient Hydrogen Evolution Reaction. Adv. Funct. Mater.2022, 2205920.
DOI：10.1002/adfm.202205920
【作者简介】
廉孜超 教授
上海理工大学材料与化学学院特聘教授。上海市海外高层次人才特聘专家、上海市东方学者特聘教授、浦江人才和日本学术振兴会（JSPS）特别研究员。
主要研究领域：合成无机化学和超快光谱学研究、无机合成化学及其在能源和环境催化领域应用的研究。主要在设计光催化剂和研究光生载流子动力学应用于光催化或光电催化水分解制氢气和环境净化方面。至今以第一作者或通讯作者发表SCI论文14篇，包括Nature Sustain.、Nature Commun.、Commun. Chem.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B-Environ.等，论文他引1155次，2篇为ESI论文，获JACS、JPCC和ACS Appl. Nano Mater.封面文章，主持国家自然科学基金青年项目1项，上海市人才项目2项和上海市基金2项等，获授权专利4件。