武汉大学、武汉理工大学、河南省科学院、美国普渡大学:AFM 激光化学固相沉积构筑二维材料原子级铂金属层用于双功

激光化学固相沉积构筑二维材料原子级铂金属层用于双功能电催化全解水

第一作者：Yi Wendi

通讯作者：Jiang Haoqing、Wu Jinsong、Gary J. Cheng

单位：武汉大学、武汉理工大学、河南省科学院、美国普渡大学

电解水制氢是清洁能源制备的重要途径，层状双金属氢氧化物（LDH）仅对析氧反应（OER）表现优异，析氢反应（HER）动力学缓慢，难以作为双功能催化剂；传统方法制备 Pt 基 LDH 催化剂存在分散性差、活性位点少、过电位高、流程复杂等问题，无法实现原子级高密度沉积，严重制约全解水催化性能提升。

近日，武汉大学、武汉理工大学、河南省科学院与美国普渡大学联合团队在《Advanced Functional Materials》发表题为 “Unveiling the Synergistic Potential of Laser Chemical Solid‐Phase Deposition of Atomic Platinum‐Metal Layer on 2D Materials for Bifunctional Catalysts” 的研究。该研究首创脉冲激光诱导化学固相沉积（LCSD）技术，在 NiFe-LDH 上成功构筑高密度原子级 Pt–Ni 双金属位点，第二金属 Ni 显著提升 Pt 单原子分散度，抑制团聚并增加活性位点密度。所制备的 Pt–Ni/LDH 催化剂在碱性体系中表现出卓越的双功能催化性能：HER 在10 mA cm^-2时过电位仅52 mV，Pt 质量活性达3.06 A mg⁻¹，远超商用 Pt/C；OER 过电位210 mV，优于商用 Ir/C；两电极全解水在10 mA cm⁻² 时仅需1.52 V，可稳定运行120 h，在阴离子交换膜水电解装置中也展现出优异工业级活性与稳定性。该方法为高效原子级金属负载型二维电催化剂的快速制备提供全新策略，为清洁能源转化与环境治理提供重要技术支撑。武汉大学 Yi Wendi 为本文第一作者。

要点一：脉冲激光化学固相沉积（LCSD）制备原子级 Pt 基金属层催化剂

采用纳秒脉冲激光诱导化学固相沉积策略，在常压下对 LDH 表面金属盐前驱体瞬时辐照、快速重构，成功制备高密度原子级 Pt 负载的 Pt/LDH 与 Pt–M/LDH 系列催化剂；可通过第二金属种类（Mg/Al/Cr/Mn/Fe/Co/Ni/Cu/Zn）精准调控 Pt 分散性、单原子密度与配位环境。该方法绿色、超快（<1 min）、可规模化，在二维 LDH 表面构筑原子级 Pt 单原子/团簇位点，形成强金属–载体相互作用，为高效全水解双功能电催化剂提供全新制备路径。

要点二：第二金属筛选与 Pt–Ni/LDH 形貌、结构表征

通过 HER 性能筛选9种第二金属，确定 Ni 为最优组分；SEM/TEM 显示 Pt–Ni/LDH 保持了 LDH 二维六角纳米片形貌；HAADF-STEM 直接观察到 Pt 单原子与0.8 nm原子团簇的存在，部分 Pt 有序嵌入晶格形成原子阵列；EDS 与 XPS 证实 Pt、Ni、Fe、O 均匀分布，低配位 Cu–Cu 位点成功构建。

要点三：晶体结构与电子配位环境表征

对比纯 LDH、Pt/LDH、Pt–Ni/LDH，XRD 显示 LDH 晶型完整、无 Pt 晶相，层间距因 Cl⁻ 嵌入扩大；Raman、FTIR 表明 M–O 键振动与表面羟基发生重构；XPS 显示 O 1s、Ni 2p 正向偏移，Pt 以 Pt–OH、Pt–O 形式键合，金属–载体强相互作用显著。

要点四：Pt–Ni/LDH 电催化全水解性能

在1 M KOH 中，Pt–Ni/LDH 实现：HER 过电位52 mV@10 mA cm⁻²，塔菲尔斜率46 mV dec⁻¹；OER过电位210 mV@10 mA cm⁻²；Pt质量活性3.06 A mg⁻¹，远超商用Pt/C；全水解仅需1.52 V@10 mA cm⁻²，120 h稳定性仅衰减25 mV，活性与稳定性优于多数已报道催化剂。

将 NiFe-LDH 粉末与 PtCl₄、NiCl₂ 水溶液混合均匀，真空干燥得到固态前驱体，置于激光加工系统玻璃反应瓶中。采用1064 nm纳秒 Nd:YAG 脉冲激光在常压空气中对前驱体进行辐照沉积，激光脉冲宽度10 ns，单脉冲能量1 J，光斑直径10 mm，重复频率10 Hz，累计照射600个脉冲；通过调控第二金属种类与 Pt/Ni 投料比，原位制备得到原子级铂分散的 LDH 基双功能电催化剂，最优组分命名为 Pt–Ni/LDH。激光诱导化学固相沉积可在纳秒尺度实现 Pt–Cl 键解离、晶格空位生成与原子 Pt 快速重构，引入适量氯阴离子与表面缺陷，显著提升 Pt 单原子密度与分散均匀性，实现催化剂活性位点与电子结构的精准调控。

创新性提出脉冲激光化学固相沉积（LCSD）策略，利用1064 nm、10 ns、10 Hz、单脉冲能量1 J的 Nd:YAG 脉冲激光器，在常压下对负载 PtCl₄ 与 NiCl₂ 的 NiFe-LDH 前驱体进行瞬时辐照，快速实现原子级铂的沉积与结构重构，成功制备出 Pt–Ni/LDH 双功能电催化剂；该材料中铂以单原子和亚纳米团簇形式高度分散，配位环境与电子结构得到优化，在碱性电解液中展现出优异的析氢、析氧双功能催化活性与长周期稳定性，全水解性能显著优于商用 Pt/C 和 Ir/C 催化剂，不仅为原子级金属/二维复合材料的高效可控制备提供了全新路径，也为碱性水电解制氢提供了高性能、低铂负载的实用化催化体系。

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