第一作者：张永超，赵明慧
通讯作者：张永超*，朱晓东*，邹吉军*
单位：青岛科技大学，天津大学
化石燃料的燃烧在世界范围内引发了严重的能源危机和环境问题，促使人类寻求更清洁的可再生能源
。
近年来，氢能因其燃烧性能好、热值高、无污染等优点，被誉为“21世纪的终极能源”，得到了广泛的研究
。
电催化水分解生产“绿氢”，特别是采用碱性电解槽，可实现零碳排放，且氢气纯度高，为改变能源现状提供了有效途径
。
但目前HER仍存在催化剂活性低、依赖贵金属、成本高等瓶颈
。
提高电催化水分解的效率，降低成本是当务之急。
为了解决这一问题，我们合成了由无定形FeOOH诱导Pt单原子和簇分布的高效HER催化剂（Pt/FeOOH@NiFe LDHs）。Pt含量为2
wt
%的Pt/FeOOH@NiFe LDHs具有超低HER过电位和高稳定性。实验和DFT计算表明，无定形FeOOH有利于*H
2
O的吸附和活化，而Pt单原子和簇在H
2
的形成和解吸中起关键作用，协同加速HER动力学。本研究为Pt单原子、簇/FeOOH协同活性位点的构建提供了有效的策略，有助于实现高效的工业电催化水分解。
近日，青岛科技大学张永超副教授、朱晓东教授团队与天津大学的邹吉军教授合作在电催化水分解领域取得新进展，相关成果以“Construction of Pt Single-Atom and Cluster/FeOOH Synergistic Active
Sites for Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction”为题发表在国际知名期刊《ACS Catalysis》。
本文采用简单的电沉积和离子交换方法，合成了一种具有Pt单原子
、团
簇分布的高效Pt/FeOOH@NiFe LDHs催化剂。
实验和DFT计算表明，FeOOH有利于*H
2
O的吸附和活化，而Pt单原子和簇在H
2
的形成和解吸中起关键作用，协同加速HER动力学。
要点一：Pt单原子、团簇的构建
通过简单的水热、电沉积和离子交换工艺合成了Pt/FeOOH@NiFe LDHs催化剂。该催化剂中Pt的质量百分比为2
wt
%，微量Pt呈单原子分布，在无定形FeOOH存在尺寸为0.5~1.5 nm的Pt团簇。
图1
(a) Pt/FeOOH@NiFe LDHs合成示意图；(b~c) Pt/FeOOH@NiFe LDHs的TEM和HRTEM图像；(d)
Pt/FeOOH@NiFe LDHs的球差电镜图像(红色和黄色圆圈分别为Pt单原子和簇)；(e~i)
Pt/FeOOH@NiFe LDHs的TEM图像和相应的能量色散x射线能谱(EDS)图像。
要点二：优异的HER性能
采用典型的三电极体系，在N
2
饱和的1 M KOH溶液中评价了催化剂的电催化活性。Pt/FeOOH@NiFe LDHs的过电位分别只有20 mV@10 mA cm
-2
和85 mV@100 mA cm
-2
。Tafel斜率为51 mV dec
-1
，遵循Volmer-Hyrovsky机制。连续电流-时间稳定性测试表明，在10 mA cm
-2
的电流密度下可稳定200 h，无明显衰减。经过5000次CV循环测试，Pt/FeOOH@NiFe LDHs的极化曲线没有明显失活。
图 2
(a)经iR校正后样品的LSV；(b)不同电流密度下样品的过电位；(c)经ECSA归一化的比活性；(d)所有样品的塔菲尔斜率；(e)各样品的电化学双电层电容；(f)所有样品的EIS值；(g)通过i-t计时电流响应稳定性测试和5000次CV测试前后的LSV(插图)；(h)以泡沫镍为基底的各种典型电催化剂在10 mA cm
-2
和100 mA cm
-2
下的过电位比较。
要点三：DFT计算解析HER活性增强机制
通过DFT表明，Pt/FeOOH@NiFe LDHs中的FeOOH有利于*H
2
O的吸附和活化，而Pt的单原子和簇促进H
2
的形成和解吸，共同加速了HER反应动力学。
图3
(a)
Pt/FeOOH@NiFe LDHs-(i-iv)上*H
2
O解离势能分布图；(b) Pt/FeOOH@NiFe
LDHs-(i-iv)上*H
2
O、TS和*OH+*H的优化结构模型；(c) Pt/FeOOH@NiFe LDHs-(i)上不同位点*H的吉布斯自由能计算结果；(d) Pt/FeOOH@NiFe LDHs-(i)上*H的相应结构模型；(e)碱性条件下Volmer-Heyrovsky机理示意图。
本文合成了具有Pt单原子、团簇分布的Pt/FeOOH@NiFe
LDHs，具有较高的HER活性和稳定性。实验和DFT计算表明，FeOOH有利于*H
2
O的吸附和活化，而Pt单原子和簇在H
2
的形成和解吸中起关键作用，协同加速HER动力学。在碱性条件下，Pt含量为2
wt
%的Pt/FeOOH@NiFe LDHs在电流密度分别为10 mA cm
-2
和100 mA cm
-2
下的HER过电位分别为20 mV和85 mV
(酸性条件下为5 mV和44 mV)。此外，全解水只需要1.46 V@10 mA cm
-2
和1.61 V@100 mA
cm
-2
的低电压。本研究为Pt单原子、簇/FeOOH活性位点的构建提供了有效的策略，协同加速了HER过程中的Volmer-Heyrovsky步骤。有利于大幅度提高工业碱性电解水的性能。
张永超
，2020年于天津大学获得博士学位，青岛科技大学化工学院副教授。近年来致力于能源分子催化转化（包括电化学制绿氢，氧还原制过氧化氢，氮还原合成氨等）与密度泛函理论计算等研究。截止目前已发表论文40余篇，其中以第一（含共一）/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.（3篇）、SusMat、Appl. Catal. B: Environ.（2篇）、Adv. Sci.、Nano Energy、Small（2篇）等期刊发表论文30篇，包括1篇热点论文及3篇ESI高被引论文。授权发明专利3项。
朱晓东
，山东省泰山学者青年专家，分别于2002、2004、2007年获哈尔滨工业大学学士、硕士、博士学位，于2007年11月留校任教，2015年遴选为博导，2019年以高层次人才引进至青岛科技大学。主要从事新型绿色能源、电催化以及新型多维多功能纳米杂化材料等领域的研究。在Adv. Funct. Mater.、ACS Catal.、InfoMat、Appl. Catal. B、Nano Energy、Small、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J. 等国内外知名期刊发表论文100余篇，含ESI“高被引文论文”(Highly Cited Papers，last 10 years)5篇，封面论文2篇。
邹吉军
，天津大学讲席教授，化学工艺系主任，先进燃料与化学推进剂教育部重点实验室副主任。入选教育部长江学者特聘教授、万人计划科技创新领军人才。主要从事能源化工研究，在Nat. Energy、Nat. Commun.、JACS、Angew、Adv. Mater.、AICHE J.等发表论文270余篇、出版英文和中文专著各1部，连续多年入选科睿唯安和爱思唯尔高被引学者；授权美国及中国发明专利50余项；获得国家自然科学二等奖（第三完成人）、化工学会基础研究成果一等奖、侯德榜化工科学技术创新奖、石化联合会青年科技突出贡献奖。担任RSC Adv.副编辑，Chin. Chem. Lett.、Energetic Mater. Front.、燃料化学学报、含能材料等期刊编委。
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