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余家国/朱必成AM:Pt3Fe/NMCS-A助力全pH值HER
有序金属间合金通过提供双活性位点协同加速H2O解离和H+还原,在全pH值析氢反应(HER)中表现出优异的性能。基于此,中国地质大学(武汉)余家国教授和朱必成副研究员等人报道了活化的N-掺杂介孔碳球负载的金属间化合物Pt3Fe合金(Pt3Fe/NMCS-A)作为全pH值HER的高效电催化剂。
在0.5 M H2SO4、1.0 M KOH和1.0 M磷酸盐缓冲溶液(PBS)中,Pt3Fe/NMCS-A过电位(η10)分别为13、29和48 mV,电流密度为10 mA cm−2,并具有良好的稳定性以保持整体催化性能。
通过DFT计算,作者研究了Pt3Fe/NMCS-A优异的HER活性,以及Pt和Fe之间的强电子相互作用。
作者分别使用Pt3Fe合金、Pt金属和Fe金属模型来表示Pt3Fe/NMCS-A、Pt/NMCS-A和Fe/NMCS-A。通过Volmer步骤将H+阳离子吸附在Pt位点上,再通过Tafel步骤将形成的H*中间体结合成H2。当Pt和Fe作为吸附位点时,Pt3Fe/NMCS-A的ΔGH*分别为-0.18和0.20 eV。ΔGH*为正极表示中间产物H*在Fe位点的吸附较弱,不利于后续H2的生成。Pt3Fe/NMCS-A(H吸附在Pt上)、Pt3Fe/NMCS-A(H吸附在Fe上)、Pt/NMCS-A和Fe/NMCS-A分别表现出ΔGH*为-0.18、0.20、-0.21和0.56 eV,表明Pt3Fe/NMCS-A在Pt位点上具有更强的HER活性。
此外,Bader电荷分析揭示了Pt与Fe之间的强电子相互作用以及Pt的电子接受特性,其中吸附H后Pt(n)上的累积电子数从0.19 e−增加到0.23 e−。总态密度(DOS)发现,Pt3Fe/NMCS-A在Pt 5d轨道上的εd比Pt/NMCS-A更低,与Pt3Fe/NMCS-A轨道最低|ΔGH*|的观测结果非常吻合。
由于Pt 5d轨道与H 1s轨道的杂化,Pt 5d轨道的εd向负值偏移,进一步证明了Pt 5d轨道促进了电子再分配,减弱了Pt 5d轨道与H 1s轨道的相互作用。
Modulating The D-Band Center Enables Ultrafine Pt3Fe Alloy Nanoparticles for Ph-Universal Hydrogen Evolution Reaction. Adv. Mater., 2023, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202303030.
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