一种优化水电解制氢的催化剂合成策略

由中国科学院中国科学技术大学(USTC)于树红院士领导的团队提出了合成十个单原子掺杂CoSe的总体策略。2-DETA(DETA=二乙烯三胺)纳米带。研究人员调整了掺杂的单原子离子并调制了电子结构，以优化产物的析氢反应(HER)活性。这项研究发表在NatureCommunications上。

氢作为一种可再生和清洁能源，具有取代化石燃料的潜力，通过HER生产“绿色氢”可能是拥抱氢支持社会的明智方式。由于贵金属铂(Pt)独特的电子结构，铂基和铂基材料是目前唯一市售的HER电催化剂。然而，它们的高价格和稀缺性阻碍了大规模的商业应用。因此，迫切需要设计具有高催化活性和稳定性的低成本HER电催化剂。

优化催化剂的电子结构可以改善材料的内在性能。其中，离子掺杂是通过在材料晶格中引入杂原子来优化HER性能的有效方法。该策略改变了局部配位并调节了电子结构，从而提高了催化性能。

虽然先前报道的离子掺杂电催化材料由于引入孤立的金属原子而表现出令人印象深刻的HER性能，但它们缺乏通用策略导致催化剂微观结构调节不足，阻碍了对其性质和结构之间关系的研究。因此，开发具有清晰结构-性能关系的高效稳定的离子掺杂HER催化剂仍然具有挑战性。

二硒化钴(CoSe2)具有类似于Pt的电子结构，经常被研究为Pt的替代品来催化HER反应，但它们的活性和稳定性仍然不如Pt和Pt基材料。因此，具有高效HER性能的此类催化剂的通用合成方法仍有待探索。

在这项工作中，研究人员开发了一种通用的单原子掺杂策略，用于通过用不同的阳离子代替Co来制备十种单原子掺杂产物。在不同的掺杂原子体系的辅助下，可以调制产物的局部配位，实现电子结构和HER行为在大范围内可控的调整。

实验结果表明，最优掺杂产物的催化活性与市售Pt/C相似(40wt%)。达到10mA/cm电流密度所需的过电位2仅为74mV，根据极化曲线计算出的Tafel斜率为42mV/dec。此外，加速伏安图(CVs)循环测试证明了催化剂的长期稳定性。

催化剂的活性在1000个CVs循环中几乎保持不变，并且该产品能够在10mA/cm的恒定电流密度下稳定运行220小时。同步辐射光谱数据表明，产物中Co原子的配位环境(Co-N键与Co-Se键的比例)随掺杂剂原子的不同而变化。

此外，总结了配位环境与产物HER活性之间的火山形关系，证明了掺杂CoSe的结构-性能关系2.

本工作为高效催化剂的设计和合成提供了一种新方法，得到的最优产物有望替代商用Pt/C催化剂，成为理想的电极材料。