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近日，ag旗舰厅官网院喻学锋研究员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）在线发表于化学领域的顶级刊物Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》，影响因子11.994）。论文共同第一作者是王欣博士和白力诚博士，通讯作者是喻学锋研究员。论文合作者包括Paul K Chu院士和Seeram Ramakrishna院士等。

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有效的方法之一。在电化学析氢领域，铂（Pt）由于其高性能和稳定性，是最有效且难以被取代的析氢反应（HER）催化剂，在氢燃料电池和很多工业催化中几乎无可取代。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改变电子/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，通常需要苛刻的条件，例如高温、超高真空或物理溅射/蒸镀，这些对设备要求较高并增加制备成本。此外，以上方法难转变成大规模、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。

在本项研究中，喻学锋研究员团队揭示了黑磷对铂催化剂独特的活化作用，利用黑磷与铂之间的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，且反应在室温条件下数分钟内即可完成，表明该铂磷催化剂的巨大应用价值。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都意义重大。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。

本项目得到了国家自然科学基金、ag旗舰厅官网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等项目的资助。

论文链接

黑磷活化铂催化剂的性能示意图