石墨烯不对称π电子限域单原子铂实现高效酸性析氢及质子交换膜电解槽超低铂载量稳定运行

为解决质子交换膜水电解槽(PEMWE)中铂(Pt)利用率低、稳定性差的难题，研究人员通过石墨烯不对称π电子限域单原子Pt的策略，构建了兼具高活性和耐久性的催化剂。该催化剂在酸性析氢反应(HER)中表现出创纪录的质量活性，组装成的PEMWE在1.2 μgPt cm?2超低载量下实现4 A cm?2@2.02 V的高电流密度，并能在2 A cm?2稳定运行1,000小时，将千瓦级PEMWE的铂用量降低两个数量级。

　　

这项突破性研究揭示了如何通过精巧的电子结构设计打破单原子催化剂的"活性-稳定性权衡"困境。当单层石墨烯包裹的钴镍(CoNi)纳米合金与铂(Pt)单原子相遇时，奇妙的电子舞蹈开始了——CoNi的3d轨道与石墨烯2p轨道杂化，打破π电子共轭对称性，形成富含不对称电子的微环境。这种独特的电子限域效应像磁铁般牢牢锚定Pt原子，同时通过电子转移使Pt位点获得富电子特性，使其在酸性析氢反应(HER)中既展现惊人的催化活性，又具备钢铁般的耐久性。

实际应用表现更令人振奋：装配该催化剂的质子交换膜水电解槽(PEMWE)创下双纪录——在仅1.2微克每平方厘米的铂载量下，既实现了4安培每平方厘米@2.02伏的高效产氢，又能在工业级2 A cm^?2电流密度下持续工作1,000小时不衰减。这相当于将传统电解槽的铂用量直接砍掉99%，为绿色氢能的大规模商业化扫清了成本障碍。

背后的机理犹如一场精心编排的量子交响乐：CoNi纳米合金通过d-p轨道重叠扰动石墨烯的电子云，产生的不对称π电子既像锁链般稳固Pt原子，又像电子泵持续为Pt位点注入活性电子。这种"双管齐下"的设计策略，为新一代能源转换催化剂的开发提供了教科书级的范例。