摘要
铂（Pt）基电催化剂，具有其他材料无法比拟的析氢本征活性。但由于其在自然界含量稀少，导致Pt基电催化剂生产成本较高。因此，对Pt基催化剂的可控合成，结构和组成的精确调控，来控制成本以及提高反应性能的研究至关重要。 金属-载体强相互作用（SMSI），不仅能对金属的电子结构进行调节，还能显著提高催化剂的稳定性。利用SMSI来设计新型Pt基析氢催化剂是一种理想的方案。因此，在本论文中，设计并合成了多种具有SMSI的Pt基催化剂，探究了杂原子N官能团种类以及杂原子掺杂量对SMSI强度的影响，进而研究了SMSI的改变对Pt基催化剂析氢性能的影响，具体工作如下： 1.开发具有SMSI的高性能Pt基催化剂用在高电流密度条件下电解水制氢并探究SMSI对析氢性能影响的原因具有重要意义。在此，通过结合Pt基催化剂和氮掺杂碳材料的优点设计开发了具有SMSI的催化剂Pt/X-NCNT(X=4,8,12,16)。原位和非原位实验以及密度泛函理论模拟表明，反应中间体（H2O*、OH*、H*）的吉布斯自由能（ΔG）在SMSI作用下通过各种N官能团和Pt的协同作用得到优化。Pt/8-NCNT仅需要17、107和153mV的过电势即可达到10、500和1000mAcm-2的电流密度。同时，Pt/8-NCNT在500mAcm-2下进行100小时电流-时间（i-t）测试后表现出出色的稳定性。更重要的是，这项工作分别探究了吡咯-N和吡啶-N在反应中的功能，并为设计用于各种电化学和催化应用的先进SMSI电催化剂提供了新思路。 2.设计了一种利用金属与载体材料之间的Mott-Schottky（M-S）效应在金属间合金（IMA)上构建具有可调节酸碱度的受阻路易斯酸碱对（FLP）的方法。借助IMA上高密度的FLP位点和适宜的酸碱度，fct-PtCo@NC表现出优异的析氢反应性能。具有高密度FLP位点的催化剂fct-PtCo@NC表现出快速的水吸附和分解速率，这源于FLP-酸位点和FLP-碱位点的协同作用，显着降低了两个过程之间的能垒。并且，由于FLP-碱Pt位点的存在，fct-PtCo@NC具有最好的氢中间体结合能，反应过程中产生的H3O+可以在其上积累形成类酸环境，从而加快反应动力学。相比之下，不含FLP的催化剂显示出较低的结合能，并且未观察到H3O+的形成。该工作不仅探究了不同强度M-S效应对Pt基催化剂析氢性能的影响，而且为新型非均相FLP催化剂的设计开辟了新的视野，具有高密度和相邻FLP位点的催化剂有望用于多种多步催化反应。
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