通用环境，广泛应用！JACS发表南开大学/香港理工大学最新电化学科研进展！

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来源：eChemStore



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论文拟解决的关键挑战：



阴极析氢反应(HER)是电化学水分解的重要半反应，然而，尽管人们在加速电极表面水解离生成质子的多反应过程方面做出了巨大的努力，但仍存在一些问题没有得到足够的重视，如反应过程中离子浓度的变化和动力学的缓慢等。因此，开发一种能够在全pH范围内高效稳定地工作以适应质子浓度变化的催化剂是非常必要的。

地球上丰富的非铂(non-Pt)元素价格低廉、品种丰富、HER性能优良，是当前电解水研究的首要考虑材料，但其操作条件狭窄仍是一个明显的缺点。因此，设计具有pH通用性和耐腐蚀性的催化剂仍是一项具有挑战性的工作。



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图文简介：

针对上述挑战，南开大学的杜亚平教授和香港理工大学的黄勃龙教授等人在Journal of the American Chemical Society发表论文，该团队首次通过简单的一锅法和蒸发溶剂法制备了锚定在高熵稀土氧化物(HEREOs)空位上的Pt纳米颗粒(NPs)，其具有丰富的氧空位，可适用于所有pH范围的水电解高效制氢，作者还系统地研究了稀土、Pt NPs和空位之间相互作用所引起的独特的电子调制。具有丰富表面缺陷的HEREOs不仅稳定了负载在衬底表面的Pt NPs，还对Pt NPs的电子结构有显著的调制作用。



作者制备的Pt-(LaCeSmYErGdYb)O表现出优异的电化学性能，在0.5 M H2SO4、1.0 M KOH和1.0 M PBS环境下，仅需12、57和77 mV即可达到100 mA cm-2的电流密度。

此外，催化剂的耐酸性能使其具有长期稳定性和优异的活性，Pt(LaCeSmYErGdYb)O在0.5 M H2SO4中成功地在400 mA cm-2@60°C下工作100 h，具有37.7 A mg-1Pt的高质量活性和38.2 s-1@12 mV的转化频率(TOF)值，远远优于最近报道的析氢反应(HER)催化剂。

密度泛函理论(DFT)计算表明，Pt和HEREO之间的相互作用优化了电子转移的电子结构和中间体的结合强度。HEREOs不仅促进了电子转移，而且还使Pt的d带中心下降，这进一步优化了质子结合和水解离，支持了在不同环境下高效稳定的HER性能。稀土元素的f轨道和d轨道构建了一个快速的电子转移途径，并固定了Pt的价态，以达到强大的电活性，降低了HER的能垒。

不同稀土元素的共同贡献保证了质子的最佳结合强度和水的快速解离，这有利于HER在酸性、中性和碱性环境中的性能。

本工作为新型稀土基材料在电催化水解离制氢过程中的应用以及稀土材料在未来电化学领域的发展提供了有价值的参考。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c13367