新闻网讯 10月9日，化学与化工学院游波、夏宝玉教授与中南大学刘金龙教授的最新合作研究成果“Atomic Pt-N₄Sites in Porous N-Doped Nanocarbons for Enhanced On-Site Chlorination Coupled with H₂Evolution in Acidic Water”在《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater.）刊发。该研究利用单原子催化剂Pt₁/p-NC@CNTs来催化析氯反应（CER），用于取代酸性全解水中的析氧反应（OER），在10 mA cm^-2的电流密度下可节省200 mV，同时阳极产物氯气可以通过现场氯化得到增值产物。这些发现为减少能源投入成本，实现大规模绿色氢气（H₂）生产提供了新的方法。

H₂因其高能量密度和绿色清洁而成为能源载体的首选。电解水是最有前途的绿色制氢方法之一，它可以在酸性或碱性条件下进行。然而，碱性电解水存在高电解质电阻、有限的电流密度、对可变压力/负载的耐受性一般的问题。相比之下，基于质子交换膜的酸性水电解（AWE）可以有效避免上述挑战，且具有高能效、快速响应和超高氢气纯度的优点。尽管如此，酸性介质中的析氧反应(OER)的动力学比碱性溶液中的动力学更缓慢，通常需要使用Ir基或Ru基贵金属催化剂。即使使用这些先进的贵金属催化剂，酸性OER仍然需要很大的过电位，并且氧化产物O₂的价值有限。在这种背景下，探索动力学上有利的氧化升级反应来替代OER是非常可取的。CER由于其快速动力学以及可产生高价值的氯气(Cl₂)而显示出替代OER的潜力。

图1.有限元模拟和DFT计算

针对上述问题，游波、夏宝玉教授团队展示了一种复合水电解系统，该系统用Pt₁/p-NC@CNTs催化CER取代OER，以实现节能氢气生成和现场增值氯化。同步辐射和DFT计算表明，Pt-N₄活性位点平衡了氯中间体的吸附/解吸（Volmer step），Pt₁/p-NC@CNTs高比表面积和丰富孔隙度在活性位点周围富集了Cl^-（Heyrovský step），共同促进了限速Volmer-Heyrovský途径，从而改善CER动力学（图1）。因此，Pt₁/p-NC@CNTs在10 mA cm^-2时的过电位仅为40 mV、CER选择性为97%、在100小时内具有出色的稳定性。更重要的是，将Pt₁/p-NC@CNTs与CoP析氢催化剂集成用于混合水电解，相对于商业Pt/C||RuO₂进行整体水分解，在10 mA cm⁻²下可节省200 mV的电压。并且，Pt₁/p-NC@CNTs||CoP可以被单节太阳能电池有效驱动，同时阳极产生的Cl₂可用于将苯甲醚、酮和烯烃现场氯化为高价值有机卤化物。这些发现为减少能源投入成本，实现大规模绿色H₂生产提供了新的方法。

我校为该工作的第一完成单位及通讯单位，游波、夏宝玉教授为论文的共同通讯作者，游波教授课题组2021级博士研究生全力为第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划（2021YFA1600800）、华中科技大学学术前沿青年团队计划等资助。