研究背景
Pt 的 d 电子能与石墨烯的 π 电子进行 d-π 杂化，促进电子自发地从石墨烯向 Pt 转移，提高金属表面的电子密度。
该效应自被理论物理学家预测以来，2019 年被武汉理工大学联合中山大学团队首次于电催化中证实。该效应应用于电解海水产氢中，能有效地优化氢的吸附/解吸行为并降低海水中氯离子的腐蚀。
然而，由于石墨烯 (4.7 eV) 和 Pt (5.7 eV) 的功函数相近，进一步增强 d-π 杂化尤为困难。
研究内容
武汉理工大学联合中山大学近日通过一步水热法制备了负载于石墨烯上的 Ni/PtNi 异质结复合电催化剂，成功提升了海水产氢以及抗氯离子腐蚀性能，为电催化剂中碳材料载体与金属催化剂之间的相互作用提供了启示和理论指导
Figure 1 Ni/PtNi-G 的形貌表征
Figure 2 Ni/PtNi-G 的结构表征
该工作通过设计阶梯式的功函数梯度，以功函数适中的 Ni（5.2 eV）为电子运输的桥梁，构筑了电子从石墨烯到 Ni 最后到 Pt 的电子定向迁移路径，有效地增强了金属 Pt 与石墨烯之间的 d-π 杂化，提高了电子迁移效率，构筑了 Pt 基材料富电子表面。
Figure 3 Ni/PtNi-G 的性能表征
得益于富电子的 Pt 催化活性位点的构筑，Ni/PtNi-G 能有效地抵抗带负电的氯离子的腐蚀。因此，相较于商业 Pt/C 以及 Ni/PtNi 在碱性模拟海水（1 M KOH + 3.5 wt.% NaCl）和碱性真实海水电解液（1 M KOH + 真实海水）中性能大幅下降，Ni/PtNi-G 在碱性条件（1 M KOH）、碱性模拟海水和碱性真实海水中均展示出了相似的高催化活性。同时，定向的电子迁移优化了 Pt 的电子结构，进一步加速了反应过程中氢的吸附/解吸反应，因此 Ni/PtNi-G 展示出了远超商业 Pt/C 以及 Ni/PtNi 的催化活性。
该成果以“Enhanced d-π overlap in graphene supported Ni/PtNi heterojunction for efficient seawater hydrogen evolution”(《石墨烯负载 Ni/PtNi 异质结催化剂增强 d-π 杂化提高海水产氢性能》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Communications 上。
论文信息
Enhanced d-π overlap in graphene supported Ni/PtNi heterojunction for efficient seawater hydrogen evolution
Xiong Yang‡, Yu-Xuan Xiao‡, Xue-Qi Zhang‡, Fei Yu, Ge Tian*, Wen-Ying Zhao, Ling Shen, Song Zhang, Xiao-Yu Yang*
Chem. Commun., 2024,60, 1778-1781
/10.1039/D3CC05959F
