第一作者：Xiaohan Wang

通訊作者：Guangting Han, Jianyong Yu, Haiguang Zhao, Federico Rosei

通訊單位：青島大學(xué)

研究內(nèi)容：

大規(guī)模太陽能驅(qū)動(dòng)的氫氣生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)社會脫碳的關(guān)鍵一步。然而，析氫反應(yīng)（HER）中的太陽能制氫（STH）轉(zhuǎn)換效率、長期穩(wěn)定性和成本效益仍有待提高。本文展示了一種有效的方法來生產(chǎn)基于低維 Pt/石墨烯-碳納米纖維 (CNF) 的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)無偏差、高效和耐用的 HER。碳點(diǎn)用作沿 CNF 表面原位形成石墨烯的有效構(gòu)件。石墨烯的存在將 CNF 的電子電導(dǎo)率提高到≈ 3013.5 S m^-1 同時(shí)支持 HER 過程中均勻的 Pt 簇生長和有效的電子傳輸。具有低 Pt 負(fù)載量 (3.4 μg cm ^-2 ) 的電極在酸性和堿性介質(zhì)中均表現(xiàn)出顯著的 HER 質(zhì)量活性，明顯優(yōu)于商業(yè) Pt/C (31  μg cm ^-2 的 Pt 負(fù)載量) ）。此外，使用發(fā)光太陽能聚光器耦合太陽能電池提供電壓，無偏壓水分解系統(tǒng)在單日光照下表現(xiàn)出 0.22% 的 STH 效率。這些結(jié)果有望將低維異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑用于未來的能量存儲和轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

要點(diǎn)一：作者展示了一種由負(fù)載有 Pt 納米團(tuán)簇的石墨烯-CNF (G-CNF) 組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并檢查了不同 Pt 納米團(tuán)簇和碳量子點(diǎn) (C-dots) 數(shù)量對 HER 性能的影響。

要點(diǎn)二：作者使用發(fā)光太陽能聚光器 (LSC) 耦合太陽能電池提供電壓，使用 Pt/G-CNFs 作為 HER 電極和商業(yè) RuO₂ 作為析氧反應(yīng) (OER) 電極的電催化水分解系統(tǒng)表現(xiàn)出太陽能到氫效率 (STH) 為 0.22% (100 mW cm^-2)。我們的工作定義了一種有前景的策略，用于制備低維 Pt/石墨烯-CNFs 異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑，以實(shí)現(xiàn)具有成本效益和高效的 HER。

圖1. a) Pt/G-CNFs 的制備過程示意圖。b) C 點(diǎn)的 TEM 圖像。c,d) G-CNFs 的 TEM 圖像。(b) 和 (d) 的插圖是相應(yīng)的 HR-TEM 圖像。e) Pt/G-CNFs 的低倍率和 f) 高倍率 TEM 圖像。g) Pt-G/CNFs 的 HRTEM 圖像。對于所有樣品，熱解溫度為 1400 °C，碳點(diǎn)濃度為 1 wt%。

圖2. a-d) ALD 50-Pt/G-CNFs 和 e-h) ALD 50-Pt/CNFs 的相應(yīng)區(qū)域和元素分布的 HAADF-STEM 圖像。(c) 和 (g) 的插圖是 Pt 的尺寸分布。(a)-(d) 的熱解溫度為 1400 °C，碳點(diǎn)濃度為 1 wt%。對于這兩個(gè)樣本，ALD 循環(huán)都是 50。

圖3. a) 不同碳點(diǎn)含量的 G-CNFs 的電導(dǎo)率曲線。熱解溫度為1400°C。b) ALD 50-Pt/G-CNFs 和 ALD 50-Pt/CNFs 的高分辨率 Pt 4f XPS 光譜。ALD 50-Pt/G-CNFs 的碳點(diǎn)濃度為 1 wt%，ALD 循環(huán)為 50。

圖4.  a) HER 極化曲線和 b) ALD 50-Pt/CNFs、ALD 50-Pt/G-CNFs 和 Pt/C 催化劑的 Tafel 圖，掃描速率為 5 mV s^-1，c) ALD 耐久性測試50-Pt/CNFs 和 ALD 50-Pt/G-CNFs 在恒定過電勢下，電流密度為 10 mA cm^-2，以及 d) Pt-C/GCE、Pt-C/C-paper、ALD 的質(zhì)量活度分別在 0.5 m H₂SO₄ 和 1 M KOH 電解液中濺射 50-Pt/G-CNF 和濺射 Pt/G-CNF。

圖 5. a) RuO₂║Pt-C/C-paper、RuO₂║ALD 50-Pt/G-CNFs、RuO₂║Pt箔和RuO₂║ALD 50-Pt/CNFs的極化曲線，用于雙電極中的整體水分解系統(tǒng)在 0.5 m H₂SO₄ 和 1 M KOH 中，掃描速率分別為 5 mV s^-1。 b) ALD 50-Pt/G-CNFs 分別在 0.5 M H₂SO₄ 和 1 M KOH 中的耐久性測試。

圖6. a) 在模擬太陽模擬器 (AM 1.5 G, 100 mW cm^-2) 下的 LSC 照片和 b) 在自然日光照射 (80 mW cm^-2) 下使用低和高 C 點(diǎn)濃度制造的 LSC 的 J-V 曲線）。LSC 的照明表面積為 100 cm²。 c) LSC驅(qū)動(dòng)的水分解裝置在不同功率密度的自然陽光照射下的I-T曲線。d) LSC 驅(qū)動(dòng)的水分解系統(tǒng)示意圖。e) LSC 在模擬 AM 1.5 G 光照 (100 mW cm^-2) 下的 J-V 曲線和基于 RuO2║ALD-Pt/G-CNFs 電極的雙電極配置的 LSV 曲線。LSC 的照明表面積為 16 cm²。 f) 分別在 0.5 m H₂SO₄ 和 1 m KOH 中，在斬波模擬 1.5 G 照明（100 mW cm^-2）下，沒有外部偏置的 LSC 驅(qū)動(dòng)的水分解裝置的電流密度-時(shí)間曲線。

參考文獻(xiàn)

Wang, X.;  Zhang, Y.;  Li, J.;  Liu, G.;  Gao, M.;  Ren, S.;  Liu, B.;  Zhang, L.;  Han, G.;  Yu, J.;  Zhao, H.; Rosei, F., Platinum Cluster/Carbon Quantum Dots Derived Graphene Heterostructured Carbon Nanofibers for Efficient and Durable Solar-Driven Electrochemical Hydrogen Evolution. Small Methods 2022, 6 (4), e2101470.