晶格畸变铂褶皱纳米颗粒 : 碱性氢电催化性能研究总结
2025年12月发布的一项研究聚焦褶皱纳米颗粒中的晶格畸变现象，成功合成具有晶格畸变的铂（Pt）褶皱纳米颗粒（LD-Pt WNPs），显著提升其在碱性环境下的氢电催化性能，为氢能相关技术发展提供重要支撑。
一、研究背景
全球能源需求持续增长，环境污染问题日益严峻，开发清洁、可再生的能源系统成为当务之急。氢能作为高效、无污染的能源载体，被视为实现碳中和目标的关键，其制备（依赖氢析出反应HER）与利用（依赖氢氧化反应HOR）的核心过程，均需高效催化剂支撑。
目前，铂基催化剂是HER与HOR中效率最高的材料，但存在关键瓶颈：其在碱性介质中的活性远低于酸性环境，严重限制了在碱性燃料电池、电解槽等设备中的应用。因此，提升铂基催化剂在碱性条件下的催化性能，成为氢能领域的研究热点。
缺陷工程被证实是调控催化剂性能的有效策略——通过引入晶格畸变、空位、晶界等缺陷，可调节催化剂表面电子结构，优化反应中间体的吸附行为，进而改善催化反应路径。本研究正是基于这一思路，设计并合成新型铂基催化剂，突破碱性环境下的性能限制。
二、研究核心内容
研究通过“合成-转化-表征-测试-机理分析”的完整流程，系统开发并验证了晶格畸变铂褶皱纳米颗粒的性能，主要分为五个环节：
1. 非晶态PtSe₂褶皱纳米颗粒合成与表征
首先制备出非晶态的硒化铂（PtSe₂）褶皱纳米颗粒，表征结果显示：该颗粒具有均匀褶皱结构，平均粒径约83nm；X射线衍射（XRD）图谱无衍射峰，证实其为非晶态；能谱分析（EDS）显示Pt与Se的原子比约为34.5:65.5；元素 mapping 与线扫描测试进一步确认，Pt和Se在颗粒中分布均匀，且原子排列呈无序状态。
2. 晶格畸变铂纳米颗粒（LD-Pt WNPs）的制备
通过简单热处理工艺去除PtSe₂中的Se元素，成功将非晶态PtSe₂转化为结晶态的铂纳米颗粒。转化后，颗粒平均粒径缩小至48.2nm，XRD图谱出现铂的特征衍射峰（对应Pt的(111)、(200)、(220)晶面）；高分辨透射电镜（HRTEM）观察到清晰的晶格条纹（0.23nm对应Pt的(111)面），同时可见明显的晶格畸变与缺陷，证实目标材料成功制备。
3. 碱性环境下催化性能测试
以商用Pt/C催化剂为对照，在0.1M氢氧化钾（KOH）溶液中测试LD-Pt WNPs的HER与HOR性能：
– HER性能：实现10mA·cm⁻²电流密度仅需58.0mV过电位，远低于商用Pt/C的86.5mV；Tafel斜率为52mV·dec⁻¹，反应动力学更优。
– HOR性能：在50mV过电位下，质量活性高达968.5mA·mg⁻¹，是商用Pt/C的9倍；交换电流密度为2.90mA·cm⁻²，是Pt/C的2倍。
此外，该材料稳定性优异，连续运行36小时后，催化活性无明显下降，结构也未出现明显破坏；与近期报道的其他催化剂对比，其HER和HOR性能均处于领先水平。
4. DFT计算揭示催化机制
通过密度泛函理论（DFT）计算，明确了晶格畸变提升催化性能的核心原理：晶格畸变（如空位缺陷、线缺陷）可调节铂的d带中心，优化反应中间体（H和OH）的吸附自由能，同时显著降低HER中Volmer步骤（水分解）与HOR中相关反应的能垒，从根本上加快催化反应动力学。
5. 研究结论总结
晶格畸变是提升铂基催化剂碱性氢电催化性能的关键，本研究通过缺陷工程策略，为设计高效铂基氢电催化剂提供了全新思路。
三、研究意义与未来展望
（一）研究意义
1. 为碱性氢电催化领域提供了高效、稳定的铂基催化剂，可直接推动碱性燃料电池、电解水制氢设备的性能升级。
2. 首次明确晶格畸变对铂基催化剂电子结构与反应路径的调控作用，为催化剂设计提供了“缺陷优化”的新视角。
3. 证实缺陷工程在贵金属催化剂性能优化中的巨大潜力，为其他贵金属（如钯、铱）或非贵金属催化剂的研发提供参考。
（二）未来展望
1. 拓展材料体系：将晶格畸变策略应用于钯（Pd）、铱（Ir）等其他贵金属，或镍、钴等非贵金属催化剂，进一步降低成本、提升适用性。
2. 优化合成工艺：探索更精准控制晶格畸变类型与密度的方法，实现催化剂性能的定向调控。
3. 推进器件应用：将LD-Pt WNPs集成到实际燃料电池或电解槽中，评估其在工业级工况下的性能与寿命。
4. 深化机理研究：结合原位表征技术，实时观测反应过程中晶格畸变的动态变化，进一步完善催化机理认知。
5. 开发规模化制备技术：攻克量产工艺难题，推动该类催化剂从实验室走向产业化应用。
超声涂覆技术在铂基催化剂制备中的应用
超声涂覆（Ultrasonic Coating）是一种基于超声波能量的精密涂覆技术，通过将涂覆浆料（含铂基催化剂、粘结剂、溶剂等）转化为均匀细小的雾滴，精准沉积在基底表面形成薄膜的工艺。该技术因涂层均匀性高、催化剂分散性好、材料利用率高的特点，成为铂基催化剂（如前文提及的晶格畸变铂褶皱纳米颗粒 LD-Pt WNPs）负载于电极基底（如碳纸、碳布、金属集流体）的重要手段，广泛适配燃料电池、电解水制氢等氢电催化设备的电极制备。
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