利用可再生能源进行电解水实现的电催化析氢反应(HER)在未来的能源经济发展中很有前景。然而，由于质子浓度较低，中性/碱性介质中的HER动力学比在酸性环境中要缓慢得多。因此，即使是最优异的Pt催化剂，在中性/碱性介质中的活性也比在酸性介质中低2到3个数量级。
研究表明，HER的动力学与电极材料的性质和电解质-固体界面催化位点附近的局部反应微环境密切相关。迄今为止，研究人员通过引入亲氧活性元素、异质结构、应变工程等多种方法改进催化剂的催化性能，在促进电极反应动力学方面取得了实质性进展。然而，这些研究策略仍然无法在非酸性电解质中取得重大突破。因此，选择合适的体系，最大限度地通过多种物理化学效应来创造局部的类酸环境，将为提高催化剂在非酸性电解质中的电催化性能和设计更高效率的电催化剂提供一种替代方法。基于此，浙江大学王勇等人合成了一种Ir-HxWO3催化剂，该催化剂在中性介质中表现出优异的HER性能。为了测试制备的催化剂在非酸性环境下是否具有优异的催化性能，本文在典型的三电极体系中测试了制备的催化剂的催化性能(1 M PBS和0.5 M H2SO4)，并与商业20wt% Pt/C和10wt% Ir/C催化剂进行对比。测试后发现，在中性条件下，Ir-HxWO3的HER活性和动力学与在酸性介质下相似。具体来说，在150 mV的过电位下，Ir-HxWO3可以在中性介质中达到256 mA cm-2的电流密度，但在酸性介质中却只能增加到277 mA cm-2。众所周知，Pt/C和Ir/C电催化剂在不同电解质中的性能存在显著差异。当过电位为150 mV时，Pt/C和Ir/C在酸性介质中达到的电流密度分别是在中性介质中达到的电流密度的2.62倍和6.18倍。显著降低的Tafel斜率也表明，HER催化动力学与质子浓度密切相关。这些结果证实了传统碳负载金属催化剂表现出高度依赖pH的催化活性，而HxWO3在金属催化剂周围创造了类酸性的微环境，从而使得催化剂在缺乏质子的中性介质中获得了优异的催化活性和加速的反应动力学。同时，Ir-HxWO3也是在中性介质中性能最好的HER电催化剂之一。为了突出类酸性微环境的实际意义，本文进一步利用Ir-HxWO3催化剂组装了一个实际的阴离子交换膜水电解装置。在相同电池电压下，由Ir-HxWO3/CFP(±)组成的装置的电流密度明显高于(-)Pt/C+Ir/C(+)。具体来说，在10 mA cm-2的电流密度下，Ir-HxWO3/CFP(±)基阴离子交换膜水电解装置的电压为1.78 V，远低于(-)Pt/C+Ir/C(+)(2.05 V)。本文通过电致变色过程和相应的理化表征证明了，对于催化剂Ir-HxWO3，质子自发的插入WO3并在Ir周围创造了局部类酸性微环境。Operando Raman测试、选择性中毒实验和动力学同位素效应实验证实了HxWO3的晶格氢物质与Ir之间存在着协同作用，即Ir位点上的Volmer过程被急剧推进形成Ir-H*，随后Ir-H*与邻近活化的WO-H*通过界面Tafel步骤自发重组形成H2分子，从而保持了较高的反应速率，这一结果也被理论计算所证实。因此，与Ir/C和Pt/C体系相比，Ir-HxWO3催化剂打破了传统的pH依赖性动力学限制，在中性介质中显示出与在酸性介质中接近的性能。受HxWO3导致的局部类酸性微环境启发，有望将Ir-HxWO3扩展到其他M-HxWO3体系(M=Pt，Ru，Pd，Co和Ni)。研究后发现，与传统的M-碳催化剂相比，M-HxWO3体系(M=Pt，Ru，Pd，Co和Ni)的过电位显著降低，反应动力学加速，这再次证实了HxWO3提供的局部类酸性微环境从根本上增强了催化剂在中性介质中的HER活性。总之，本文的研究结果为未来以更合理和更精确的方式来调控局部反应环境进而设计高性能的催化剂提供了见解。Tailoring a Local Acid-like Microenvironment for Efficient Neutral Hydrogen Evolution, Nature Communications, 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-39963-8.https://www.nature.com/articles/s41467-023-39963-8.
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