青島科技大學(xué)王磊/賴建平教授團(tuán)隊(duì)EcoEnergy：通過氮化硼作為載體富集H2O促進(jìn)非過濾海水析氫

圖文解析

       采用透射電鏡（TEM）和高分辨率投射電子顯微鏡（HRTEM）分析Pt/h-BN的微觀結(jié)構(gòu)。Pt顆粒均勻地分布，Pt顆粒平均粒徑為3.0±0.1 nm（圖1A）, Pt晶格條紋為2.26nm（圖1B）。通過（EDS）mapping圖像觀察相應(yīng)區(qū)域的元素分布（圖1D）, Pt以原子形式均勻分布，B，N，Pt元素的分布進(jìn)一步證實(shí)了成功制備的Pt/h-BN。

       通過原子力顯微鏡(AFM)分析微觀結(jié)構(gòu)。相比于Pt/C（圖2B），Pt/h‐BN（圖2A）的表面相對(duì)更光滑，Pt/h‐BN的粗糙度為2.0nm（圖2C）和Pt/C的粗糙度為3.0nm（圖2D）。這意味著更光滑的表面有利于防止結(jié)垢。

       在堿性海水中分析了催化劑的析氫性能。在500 mA cm^-2、500 mA cm^-2 、1000 mA cm^-2時(shí)Pt/h‐BN的過電位分別為84，228，317 mV，Pt/C為257，451，537 mV（圖3A，3B）。Pt/h‐BN和Pt/C的塔菲爾斜率分別為177.32，56.98 mV dec^-1（圖3C）。Pt/h‐BN，Pt/C和h-BN的TOF值為3.06，0.88，0.75 s^-1（圖3D）。Pt/h‐BN的交換電流密度為5.8 mA cm^-2（圖3E）。在500 mA cm^-2下Pt/h‐BN的穩(wěn)定性測(cè)試高達(dá)1000 h（圖3F）。這證實(shí)了Pt/h‐BN在無過濾海水具有優(yōu)良的析氫性能。

圖4. （A）和（B）Pt/h-BN和Pt/C的原位紅外光譜圖；（C）Pt/C和（D）Pt/h-BN的原位拉曼圖；（E）Pt/h-BN和（F）Pt/C在NaCl溶液中的拉曼光譜圖。

       通過原位紅外和原為拉曼測(cè)試表明，相對(duì)于Pt/h-BN，Pt/C上出現(xiàn)明顯的Mg–OH鍵（~1400 nm^-1)或Ca–OH鍵（~3000 nm^-1)振動(dòng)峰。而Pt/h‐BN沒有顯示出顯著的Mg–OH或Ca–OH特征峰（圖4A）。根據(jù)圖4B，H–O–H彎曲振動(dòng)峰值位于Pt/h‐BN（1635.20 cm^-1)低于波數(shù)Pt/C（1635.74 cm^-1)，表明Pt/h‐BN促進(jìn)水分解的發(fā)生。在圖4E，F(xiàn)中，在630 cm^-1處出現(xiàn)特征峰，這可能與Cl^?的形成有關(guān)，并且Pt/C上的Cl^?振動(dòng)峰更明顯，這表明Pt負(fù)載在h‐BN后可顯著降低Cl^?的吸附。這表明h-BN的存在能有效防止污垢和Cl^?的形成。

       在實(shí)際AEM電解槽中，Pt/h‐BN的HER活性高于商用Pt/C，Pt/h‐BN在1 A cm^-2下過電位為3.34V（圖5C），在實(shí)際應(yīng)用中，催化劑的穩(wěn)定性可以發(fā)揮更大的作用。在100 h電化學(xué)測(cè)試，電池電壓沒有波動(dòng)顯著（圖5D）。這表明催化劑在AEM電解槽中也具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

總結(jié)與展望

       本文章證明了由于h-BN作為載體可以有效吸收H₂O，減少Cl^-的吸收和不溶性沉淀的形成，從而實(shí)現(xiàn)耐腐蝕和防污，并減少在堿性海水中高電流密度下的能量消耗。此外，在一個(gè)AEM電解槽，Pt/h-BN具有優(yōu)異的氫氣工業(yè)生產(chǎn)條件下的進(jìn)化性能具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。這種反應(yīng)物富集吸附的策略也可用于其他復(fù)雜的催化環(huán)境。