深圳先进院揭示黑磷化学活性构建高效铂磷催化剂的机制

近日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋课题组在黑磷化学活性和催化应用领域取得新进展，相关成果以Rapid Activation of Platinum via Black Phosphorus for Efficient Hydrogen Evolution（《黑磷对铂基电化学析氢催化剂的快速活化作用》）为题在线发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。论文共同第一作者是博士王欣和白力诚，通讯作者是喻学锋。论文合作者包括Paul K Chu和Seeram Ramakrishna等。

氢能作为一种环境友好的能源可用于替代化石燃料，电化学分解水制备氢气是获得氢能的有效方法之一。在电化学析氢领域，铂（Pt）由于其高性能和稳定性，是最有效且难以被替代的析氢反应（HER）催化剂，在氢燃料电池和很多工业催化中几乎无可替代。然而，由于铂在地壳中的储量极低，导致其成本高昂，一克铂的价格高达数百元，严重地阻碍了其大规模工业应用。因此，提高铂的催化效率对铂催化剂开发与应用至关重要。

将异质元素引入金属催化剂可以带来协同配体或应变效应，是改变金属催化剂的电子/化学性质的有效方法。但是，铂的结构和化学稳定性使该过程变得困难，通常需要高温、超高真空或物理溅射/蒸镀等苛刻的条件，对设备的高要求增加了其制备成本。此外，以上方法很难转变成大规模、低成本且商业上可行的方法。因此，开发有效的策略以精确地控制铂催化剂的电子结构十分具有挑战性。

在该项研究中，喻学锋团队揭示了黑磷对铂催化剂独特的活化作用，利用黑磷与铂之间独特的强吸附作用所自发形成的铂-磷键，有效调控了铂的电子结构。研究结果表明铂-磷键的形成，对铂纳米颗粒产生强大的协同配体效应，且该成键能力为黑磷所独有，红磷与铂就无法形成铂-磷键。铂-磷键能够促进铂催化剂的d带中心下移，从而改变电化学反应中间体的吸附自由能。通过改变黑磷烯的加入量可实现铂-磷键含量的调控，使得铂催化剂的电化学性能大幅提升。基于这种黑磷的活化作用，只需要很少量的黑磷烯，即可使得铂催化剂的电化学析氢性能提升3.5倍，且在室温条件下该反应数分钟内即可完成，这表明该铂磷催化剂具有巨大的应用价值。这项工作还为提升各种铂基催化剂的催化效率提供了新方法，对燃料电池和工业催化等领域的研究都具有重要意义。研发团队正依托合作企业兴发集团积极推动此类黑磷-金属复合催化剂的工业应用。

该项目得到国家自然科学基金、中科院前沿重点研究项目、中国博士后科学基金、深圳市基础研究布局项目等的资助。

黑磷活化铂催化剂的性能示意图