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DOI: 10.1039/d4ta05081a
氢能作为一种高热值、高效零碳、来源丰富的清洁能源，是实现我国“双碳”目标的重要载体。随着日益严峻的碳减排形势，绿色制氢受到了广泛的关注与研究。其中电化学分解水制氢（HER）作为一种将化学能转化为氢能的手段，在生产过程中不产生温室气体，是一种极具潜力的绿色制氢路线。然而，Pt基催化剂作为目前HER过程中的高效催化剂，由于价格昂贵储量稀缺且制备方法冗长繁琐，难以实现大规模生产。金属氧化物因其独特的结构与理化性质，常用作载体以调控表面的金属电子结构，所得的金属/金属氧化物催化剂因存在的强相互作用有利于增强催化性能。故在本研究中，通过超快闪光焦耳加热制备了异质结构金属氧化物载体负载极低Pt的催化剂，在HER反应中展现出优异的活性与稳定性。
近日，中国科学技术大学叶逸凡研究员团队在《Journal of materials and chemistry A》期刊上发表了题为“Ultrafast flash joule heating synthesis of the Pt/MoOx heterostructure for enhancing the electrocatalytic hydrogen evolution reaction”的论文。本文报道了一种通过超快闪光加热手段合成具有异质结构载体负载极低Pt载量的催化剂，并研究了其在电解水制氢反应（HER）中的应用。金属氧化物因其高稳定性常用作贵金属颗粒的载体以调节其电子结构，从而在低贵金属负载量的情况下可实现高效且稳定的催化性能。但金属/金属氧化物催化剂的制备手段常存在着制备流程复杂，时间冗长的问题。故在本研究中，我们通过快速热冲击的手段制备了Pt/MoOx催化剂，在极短的时间内可对载体与表面Pt颗粒同时实现调控，极大地提高了制备效率。另外，Pt/MoOx催化剂在HER中也展现出卓越的性能与稳定性，仅需55.08 mV即可达到100 mA cm-2的电流密度，并在10mA cm-2，50mA cm-2的电流密度下分别保持了22 h、15 h的持续稳定性。实验分析与理论计算结果表明，Pt和MoOx载体之间存在着强相互作用，使界面处的Pt位点具有更有利的氢吸附自由能，从而加速 HER 的反应动力学，最终在电解水制氢反应中表现出优异的性能。
本研究成功地通过超快闪光焦耳加热技术合成了Pt/MoOx纳米催化剂，其在电解水制氢（HER）反应中展现出卓越的催化性能与稳定性，具有较低的过电势和相当于商用铂碳催化剂约25倍的质量活性。本研究阐明了Pt/MoOx催化剂中Pt与载体的电子结构以及吸附氢的吸附情况，并探究了MoOx异质载体对Pt活性位点的调节机制，为高效异质结构金属/金属氧化物的设计与制备提供了新的思路。
图1展示了通过超快焦耳加热技术制备Pt/MoOx-F（F表示超快焦耳加热手段制备）催化剂的工艺流程。
图2展示了Pt/MoOx-F与其对照催化剂的晶体结构与电镜图像，证实了Pt/MoOx-F催化剂是由Pt纳米颗粒负载于异质MoOx载体组成。
图3通过X射线光电子能谱（XPS）以及X射线吸收光谱（XAFS）证实了Pt/MoOx-F催化剂中Pt与MoOx之间存在相互作用。
图4展示了Pt/MoOx-F在0.5 M H2SO4中的HER性能，包括过电位、质量活性以及稳定性，证实了其在HER反应中的高活性与高稳定性。
图5展示了异质MoOx载体与纯相MoO2、MoO3负载Pt催化剂的谱学表征与HER性能测试，证实异质载体MoOx因与Pt间存在的强相互作用具有优于纯相载体的性能。
图6展示了通过密度泛函理论（DFT）计算Pt/MoOx-F模型的吸附氢自由能，电荷转移情况等，证实了Pt/MoOx-F催化剂中界面处的Pt位点具有最有利HER的吸附氢自由能。
综上所述，我们成功地设计了一种快速可控的超快闪焦耳加热方法，在约 1 s的加热时间内
成功制备了Pt/MoOx-F催化剂，这种方法不仅加快了合成过程，还减轻了由于长时间加热引起的Pt聚集问题。通过详细的结构与谱学分析，我们发现Pt/MoOx-F中Pt含量仅为1.853 wt.%，但却具有相当于商用铂碳催化剂约25倍的质量活性，以及优于商用铂碳催化剂的稳定性。XPS 和 XAS 证实了 Pt 和 MoOx 载体之间存在强相互作用；电化学测试证实异质MoOx载体形成显著提高了催化剂的电导率，促进了 HER 工艺的快速电子转移。此外，理论计算证实由于MoOx载体对Pt的调节作用，使得Pt的d带中心远离费米能级，减轻了催化剂对吸附氢的吸附作用，从而加速了反应动力学。这项工作强调了超快闪焦耳加热法在制备高效异质电催化剂方面的巨大潜力，并为调控金属-载体相互作用的策略提供了一些新的见解。
本文叶逸凡研究员团队实验中使用的快速升温设备为合肥原位科技有限公司研发的焦耳加热装置。
焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。
