如何在酸性环境中高效产氢，同时降低贵金属铂（Pt）的使用成本？我国科研团队在《Frontiers in Energy》发表的最新研究给出答案——通过将铂钴（PtCo）双金属纳米颗粒负载于二维材料MXene上，成功制备出高活性、低铂含量的析氢催化剂。实验显示，该催化剂在酸性条件下仅需152毫伏过电位即可实现-100 mA/cm²的电流密度，性能媲美商用铂基催化剂，而铂负载量仅为0.43%，成本大幅降低。

MXene：二维材料“搭台”，催化活性“唱戏

氢能被视为实现碳中和的关键能源，但传统制氢技术依赖化石燃料，碳排放高。电解水制氢虽环保，却受限于催化剂成本。铂因其优异催化性能成为主流选择，但其稀缺性和高价制约了规模化应用。近年来，科学家尝试通过负载铂基材料于载体表面以减少用量，但单原子催化剂的稳定性不足，而普通负载材料的电荷传输效率有限。

这项研究创新性地选用MXene（一种层状碳氮化物，形似“纳米薄片”）作为载体。MXene不仅比表面积大，可暴露更多活性位点，还具备“高速公路”般的导电性，能加速电子传输。团队通过“分步还原”策略，先将钴（Co）沉积于MXene表面，再引入铂，形成粒径仅3纳米的PtCo双金属颗粒。电镜图像显示，Pt与Co原子紧密接触，MXene的层状结构则为纳米颗粒提供了均匀分散的“舞台”。

电子协同效应：1+1>2的关键

为何PtCo双金属比单一金属更高效？X射线光电子能谱（XPS）显示，Pt的电子向Co转移，改变了活性位点的电子云状态。这种“电子协同效应”削弱了氢中间体（H*）在催化剂表面的吸附强度，使氢气更易脱附。密度泛函理论（DFT）计算进一步证实，PtCo双金属的H*吸附自由能（-0.14 eV）比纯Co（-0.16 eV）更接近理想值（0 eV），反应动力学显著提升。

实验数据对比凸显优势：PtCo/MXene在酸性电解液中达到-100 mA/cm²电流密度所需的过电位（152 mV）比纯Pt/MXene（194 mV）低22%，Tafel斜率（42 mV/dec）也优于后者（45 mV/dec）。此外，其电荷转移电阻（0.88 Ω）仅为纯Pt/MXene的70%，活性表面积（22.78 mF/cm²）则高出29%。即使经过1000次循环伏安测试，性能衰减不足8%，24小时恒电流运行后仍保持86%的活性，稳定性突出。

低成本与规模化潜力

研究团队还探索了不同Pt/Co比例的影响。当铂含量降至4%（Pt4Co96/MXene）时，催化活性达到峰值。这种“低铂高钴”设计既通过双金属协同提升原子利用率，又借助MXene的高导电性弥补钴的固有缺陷，为低成本催化剂开发提供了新思路。目前，商用铂碳催化剂铂负载量通常超过20%，而此项技术的铂用量仅为其2%，若实现规模化生产，有望大幅降低电解水制氢成本。

不过，技术落地仍面临挑战。MXene的制备需经历氢氟酸腐蚀和超声剥离，工艺复杂度较高；长期运行中钴元素在酸性环境下的溶出风险也需进一步验证。对此，论文通讯作者王浩教授表示：“下一步将优化MXene的合成工艺，并探索钴的稳定化策略，推动该技术向实际应用迈进。”

这项研究不仅为高效析氢催化剂设计提供了理论依据，也为氢能产业的降本增效注入新动力。随着可再生能源电解水制氢技术的成熟，“绿氢”替代化石能源的进程或将进一步加速。

来源: FIE能源前沿期刊