氢气是一种理想的零碳能源载体，在未来可持续发展社会中具有重要战略地位。作为一种必不可少的制氢技术，可再生能源驱动的电解水制氢技术迫切需要高效的电催化剂来降低析氢反应（HER）过电位以提高能量转换效率。经典铂碳催化剂对氢中间体有最优的吸附作用，确保了在酸性HER反应中低的过电位和快速的反应动力学过程。然而，在长期催化过程中金属纳米颗粒的团聚和溶解会导致催化活性和稳定性的迅速下降。

相比之下，碱性电解水制氢因其反应物来源广泛、制造安全性好、产量稳定、产品纯度高而受到工业界的青睐。然而，受限于碱性介质中H⁺离子浓度较低，HER 的引发需要水分子的大量解离，导致其反应速率通常比酸性介质中降低两到三个数量级。为了应对 Pt 基催化剂相关的挑战，应该进一步提升碳载体和合金成分的设计，从而增强在其酸性介质中的稳定性和在碱性介质中的动力学过程。

近日，新加坡南洋理工大学的楼雄文教授团队设计并发展了一种金属有机骨架辅助的热解-置换-重组策略，用于在具有封闭末端的多孔氮掺杂碳纳米管内外层镶嵌亚10纳米级的超小Pt-Co纳米合金（Pt-Co@NCNT）。由于合金化作用带来的电子结构的优化和金属-载体的强相互作用，所获得的 Pt₃Co@NCNT 电催化剂在酸性和碱性介质中均表现出对 HER 的超高活性和超长稳定性。在热重组过程中，Pt-Co 纳米合金向碳纳米管内外表面迁移，确保了活性位点的最大暴露，同时保持了与多孔碳基质的牢固附着。密度泛函理论（DFT）计算表明，Pt₃Co对于氢中间体的吸附自由能接近热力学中性，并且合金化作用产生了多样化的活性位点，从而极大地提升了析氢反应的本征活性。同时，经过设计的多孔碳壳结构主体可防止超小 Pt₃Co纳米颗粒的聚集，从而确保长期耐久性。

该工作对电催化剂的组成和结构进行了新型设计，为精准控制碳载体中合金纳米颗粒的组成与空间分布提供新思路，进一步提高了合金在能源相关领域的利用效率和稳定性。

论文信息：

Engineering Pt-Co Nano-alloys in Porous Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes for Highly Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution

Song Lin Zhang, Xue Feng Lu, Zhi-Peng Wu, Deyan Luan, Xiong Wen (David) Lou*

文章第一作者是南洋理工大学博士生Song Lin Zhang，通讯作者为南洋理工大学楼雄文教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202106547