Fe3O4负载Pt纳米颗粒催化剂：全pH范围内高效析氢反应的新策略

为解决Pt基催化剂在析氢反应（HER）中活性不足、稳定性差及pH普适性受限的问题，研究人员通过水热法和原子层沉积（ALD）技术构建了Fe3O4纳米棒负载Pt的复合催化剂（Pt-Fe3O4/CC）。该催化剂通过强金属-载体相互作用（MSI）优化了Pt的电子结构，显著提升了HER性能，在碱性（22 mV）、中性（59 mV）和酸性（29 mV）条件下均表现出超低过电位，且稳定性优异。这一研究为设计高性能HER催化剂提供了新思路。

　　

氢能作为零碳能源载体，因其高能量密度被视为替代化石燃料的理想选择。然而，电催化分解水制氢的广泛应用受限于析氢反应（HER）的缓慢动力学，尤其是在不同pH条件下。Pt基催化剂虽高效，但传统碳载体（Pt/C）缺乏金属-载体相互作用（MSI），导致活性中心易溶解、稳定性差，且在碱性环境中水分解能垒高，中性条件下质子浓度低，进一步制约性能。如何设计兼具高活性和pH普适性的HER催化剂成为研究难点。

针对这一挑战，山西大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表了一项突破性研究。他们通过水热法合成Fe₃O₄纳米棒载体，结合原子层沉积（ALD）技术精准负载Pt纳米颗粒，构建了Pt-Fe₃O₄/CC复合催化剂。实验与理论计算证实，Fe₃O₄与Pt间的强MSI促使电荷从Pt向Fe₃O₄转移，优化了氢中间体（H*）吸附能，显著加速了H₂生成。

关键方法
研究采用水热法制备Fe₃O₄/CC基底，通过ALD调控Pt纳米颗粒的分散度，结合X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT）计算分析电子转移机制，并通过电化学测试评估HER性能。

研究结果

1. 结构表征：Fe₃O₄纳米棒均匀生长于碳布（CC）上，ALD技术实现了Pt纳米颗粒的原子级分散（图1a）。XPS显示Pt 4f轨道结合能正移，证实电子从Pt流向Fe₃O₄。
2. 催化性能：Pt-Fe₃O₄/CC在10 mA cm^-2电流密度下的过电位仅为22 mV（1.0 M KOH）、59 mV（1.0 M PBS）和29 mV（0.5 M H₂SO₄），远优于商用Pt/C（112 mV和389 mV，中性条件）。
3. 稳定性：碱性及中性条件下连续测试12小时后活性衰减不足5%，Fe₃O₄载体有效抑制了Pt溶解。

结论与意义
该研究通过Fe₃O₄载体与Pt的强MSI效应，解决了传统Pt/C催化剂在pH普适性、活性和稳定性上的瓶颈。DFT计算表明，MSI调控的d带中心上移优化了H吸附自由能，使Volmer步骤（H₂O解离）和Tafel步骤（H复合）协同加速。这一策略为开发高效、耐用的HER催化剂提供了新范式，推动氢能技术向实际应用迈进。