DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122898

Pt单原子催化剂由于其超高的催化活性和原子利用率，在高效析氢反应（HER）中有着广阔的应用前景。然而，开发一种具有最佳电子结构的无粘合剂Pt单原子催化剂的可扩展制备方法，用于大规模制氢仍然是一个严峻的挑战。在这项工作中，研究者制备了定制的氮掺杂多孔碳纳米纤维，作为载体，以通过初始微孔捕获和随后优化氮/碳锚定来设计Pt单原子位点电子结构。所制备的Pt单原子催化剂表现出优异的HER活性和良好的稳定性，优于最先进的单原子催化剂。X射线吸收结构分析与理论模拟相结合，证明了HER性能提高的机理。特别是，用于无粘合剂电极的独立Pt单原子催化剂即使在500mA/cm2下也显示出64mV的低过电位，这表明其在大规模氢气生产方面具有很好的应用前景。

图1.Pt-SA/pCNFs催化剂的制备工艺及结构表征。（a）通过静电纺丝制备Pt-SA/pCNFs催化剂的示意图。（b）Pt-SA/pCNFs的SEM图像、（c）TEM图像、（d）HR-TEM图像和相应的SAED图案，以及（e）AC HAADF-STEM图像。（f-i）C、N和Pt的EDX元素映射。

图2.催化剂的化学态和价键。（a）Pt-SA/pCNFs的N1s XPS光谱。（b）Pt-SA/pCNFs和20% Pt/C催化剂的Pt4f XPS光谱。（c）Pt-SA/pCNFs和pCNFs的N K-edge XANES光谱。（d）Pt-SA/pCNFs、Pt-SA/CNFs、PtO2和Pt箔的Pt L3-edge XANES光谱。（e）Pt-SA/pCNFs和参考样品的FT k3加权Pt L3-edge EXAFS光谱，以及（f）EXAFS光谱的WT分析。（g）Pt-SA/pCNFs在R空间中的Pt L3-edge EXAFS拟合曲线。（h）Pt-SA/CNFs在R空间中的Pt L3-edge EXAFS拟合曲线。

图3.Pt-SA/pCNFs在三电极体系中的电催化性能。（a）Pt-SA/pCNFs、Pt-SA/CNFs、20% Pt/C、pCNFs和CNFs的极化曲线。（b）Pt-SA/pCNFs、Pt-SA/CNFs和20% Pt/C的Tafel斜率。（c）Pt-SA/pCNFs、Pt-SA/CNFs和20% Pt/C在10mA/cm2时的过电位和在50mV时的质量活性。（d）Pt-SA/pCNFs和Pt-SA/CNFs的Cdl值。（e）Pt-SA/pCNFs和20% Pt/C的恒定电势稳定性。（f）Pt-SA/pCNFs和20% Pt/C的电位循环稳定性。（g）Pt-SA/pCNFs和其他最先进的电催化剂在10mA/cm2下的Tafel斜率和过电位比较。

图4.具有定制配位结构的Pt位点的DFT计算。（a）Pt-N3C和Pt-N2C2相对于PtN4的结合能。（b）计算酸性条件下进行HER的不同Pt位点的ΔGH*值。（c）差分电荷密度图。（d）Pt-N4、Pt-N3C和Pt-N2C2结构的PDOS。等值面值为0.004e A-3。

图5.Pt-SA/pCNFs用于大规模氢气生产。（a）自支撑Pt-SA/pCNFs作为无粘合剂催化剂用于HER的示意图。（b）研磨的Pt-SA/pCNFs作为含粘合剂的催化剂用于HER的示意图。（c）用于大规模氢气生产的Pt-SA/pCNFs的极化曲线。（d）最近报道的催化剂在500mA/cm2下的过电位比较。