氢气具有燃烧热值高、产物无污染、资源丰富等优点，是一种理想的可再生清洁能源。电化学析氢反应（HER）具有成本低、环境友好、制氢纯度高等优势，是一种非常具有应用前景的制氢技术。然而，铂的高成本和低储备严重限制了其大规模应用。将Pt的尺寸降低至原子级别，形成的Pt单原子催化剂，可以实现很高的Pt原子利用率和HER活性。

在Pt单原子催化剂中，Pt原子的配位环境和电子结构效应可以影响水的解离动力学，合理调控Pt原子的电子结构对于提升HER性能至关重要。此外，催化剂的微观结构对HER性能表达也有重要影响。目前报道的Pt单原子催化剂多以粉末为主，在电极制备过程中加入的聚合物粘合剂，可能会带来部分活性位点失活、界面电阻增加等问题。

鉴于此，清华大学张如范副教授团队通过静电纺丝技术结合后续的煅烧过程设计了一种具有丰富氮含量的氮掺杂多孔碳纳米纤维作为载体，通过前期的微孔捕集和后续的C、N原子锚定过程，来调控Pt原子的配位环境和电子结构，得到的Pt单原子催化剂，表现出很好的酸性HER活性和稳定性。相关研究内容以“Engineering the electronic structure of platinum single-atom sites via tailored porous carbon nanofibers for large-scale hydrogen production”为题目发表于期刊《Applied Catalysis B: Environmental》上。

图1. Pt单原子催化剂的制备过程和微观结构表征。

图2. Pt单原子催化剂的键价和配位结构。

碳纳米纤维是通过静电纺丝技术结合后续的碳化过程制备的。通过浸渍和二次碳化过程可以实现Pt单原子在碳纳米纤维上的负载。扫描电镜表明碳纳米纤维的直径在300 nm左右，透射电镜进一步揭示了纤维内部具有丰富的孔道结构。球差电镜证明了Pt的原子级分散状态。XPS证明了碳纤维中具有很高的嘧啶氮含量，同步辐射进一步揭示了Pt原子的配位结构为Pt-N₂C₂。

图3. Pt单原子催化剂的酸性析氢性能。

图4. Pt单原子催化剂酸性HER机理分析。

 图5. Pt单原子催化剂的大电流析氢性能。

Pt单原子催化剂在酸性（0.5 M H₂SO₄）下10 mA cm^-2的过电位为21 mV。DFT理论计算表明Pt-N₂C₂位点具有更小的结合能，H的吉布斯吸附自由能几乎为零。该方案制备的Pt单原子催化剂在无需粘结剂的情况下，在500 mA cm^-2 下的过电位仅为64 mV，展示出很高的大电流析氢潜力。在结构表征的基础上，电化学实验结合理论计算，进一步揭示了Pt单原子催化剂的HER性能及其“结构-性能”的构效关系，为设计高效Pt单原子催化剂提供了新的思路。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122898.

通讯作者：

张如范副教授 清华大学化工系副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员，Carbon Innovation副主编、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年编委。

2005-2009年本科就读于中国石油大学（北京）化工学院，2009-2014年博士就读于清华大学化工系，2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究，2018年加入清华大学化工系。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，取得多项突破性科研成果。在Science、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、Advanced Materials、Journal of American Chemical Society、Cell Reports Physical Science、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文100篇。申请发明专利16项；撰写学术专著6部。

曾获侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、SusMat青年编委杰出贡献奖（2022）、清华大学2020年春季学期在线教学优秀教师奖（2020）、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者（2019）、教育部自然科学一等奖（2016）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）、教育部博士研究生学术新人奖（2012）等奖励。