过渡金属-氮共掺杂多孔碳纳米球负载铂催化剂的设计及其电催化析氢性能优化

为提升铂(Pt)基催化剂在析氢反应(HER)中的活性和稳定性，研究人员通过金属调控策略合成了一系列M-NC(M=Co/Ni/Cu)多孔碳纳米球载体。其中Pt/Co-NC在酸性条件下表现出卓越的HER性能(10 mA cm?2时过电位仅16 mV)，DFT计算揭示了载体与Pt的协同作用机制，为高性能电催化剂设计提供了新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，氢能因其高能量密度和零污染特性成为研究热点。电解水制氢技术中，铂(Pt)虽是最佳电催化剂，但其高昂成本和有限储量制约着大规模应用。当前研究聚焦于通过优化载体材料减少Pt用量，其中金属-氮共掺杂多孔碳(M-NC)因可调控Pt电子状态而备受关注，但现有合成方法存在工艺复杂、金属颗粒易团聚等问题。河南省科技厅资助的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表论文，通过配体辅助自组装乳液聚合法制备了Pt/Co-NC催化剂，其独特的结构设计和电子协同效应实现了HER性能的突破性提升。

研究采用配体辅助自组装乳液聚合、密度泛函理论(DFT)计算、电化学性能测试等关键技术。通过调控F127模板剂与过渡金属(Co/Ni/Cu)的协同作用，构建了分级多孔结构的碳纳米球载体，并系统考察了不同金属掺杂对Pt催化剂性能的影响。

Results and discussion
研究团队发现Co²⁺的引入显著改变了DA/F127/TMB混合胶束的自组装行为，形成的Co-NC载体具有更均匀的介孔分布和更高的比表面积。电化学测试显示Pt/Co-NC在0.5 M H₂SO₄中表现出超低过电位(10 mA cm^?2时16 mV)，优于商业Pt/C催化剂。DFT计算表明Co-N_x位点能有效锚定Pt纳米颗粒，并通过电子转移降低Pt的d带中心，从而优化氢吸附自由能(ΔG_H*)。

Conclusion
该工作创新性地通过金属调控策略实现了载体结构与电子特性的双重优化，Pt/Co-NC催化剂的质量活性达到商业Pt/C的54倍。研究不仅为M-NC载体设计提供了普适性合成方法，更通过原子尺度机制解析为高性能电催化剂开发奠定了理论基础。

讨论
相比传统ZIF-8衍生物，该乳液聚合法合成的碳纳米球具有更可控的孔道结构和金属分布，有效解决了金属烧结问题。值得注意的是，Co-NC载体中Co-N₄配位结构的形成是关键创新点，其与Pt的强相互作用显著提升了催化稳定性（经2000次循环后活性衰减<5%）。这些发现对质子交换膜电解槽等工业应用具有重要指导价值。