生物质衍生PtCe@C-N催化剂：强金属-载体相互作用驱动的高效析氢新策略

　　为应对传统Pt基催化剂成本高、稳定性差的挑战，中国科学院研究人员通过生物质碳载体与PtCe合金的协同设计，开发出具有强金属-载体相互作用(SMSI)的PtCe@C-N催化剂。该催化剂在析氢反应(HER)中表现出26 mV@10 mA/cm2 的超低过电位和81.96%的24小时稳定性，为低成本高效电解水制氢提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，氢能因其零碳排放特性成为替代化石燃料的理想选择。然而，电解水制氢技术的核心瓶颈在于缺乏兼具高活性、长寿命和低成本的析氢反应(HER)催化剂。目前商业Pt/C催化剂虽性能优异，但存在铂载量高(通常>20 wt%)、纳米颗粒易团聚等问题，严重制约其大规模应用。与此同时，非贵金属催化剂在低过电位下的活性仍无法满足工业需求，这使得开发低铂高效催化剂成为清洁能源领域的重大挑战。

针对这一难题，中国地质大学(北京)的研究团队创新性地利用椴木切片作为生物质碳源，通过冻干-原位碳化技术构建了具有强金属-载体相互作用的PtCe@C-N催化剂。研究发现，木材中丰富的纤维素和含氮组分不仅为金属锚定提供了活性位点，还通过氮掺杂优化了碳基体的电子传导性。该工作发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为解决催化剂成本与性能的矛盾提供了新范式。

研究采用三大关键技术：1) 生物质模板法，以椴木切片为载体构建分级多孔结构；2) 冷冻干燥结合高温碳化(1000°C)实现PtCe固溶体与N掺杂碳基质的同步形成；3) 通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)系统表征金属-载体电子转移效应。

【XRD patterns】
衍射分析显示，1000°C处理的样品出现Pt(111)晶面特征峰(39.8°)并向高角度偏移，证实Ce原子成功掺入Pt晶格形成合金。2.5 mM金属盐浓度下获得的PtCe@C-N-1000催化剂呈现最小晶粒尺寸(3.5 nm)，表明生物质碳有效抑制了高温烧结。

【Electrochemical performance】
在0.5 M H₂
SO₄
电解液中，优化后的催化剂仅需26 mV过电位即可驱动10 mA/cm²
的HER电流密度，Tafel斜率低至26.8 mV/dec，显著优于商业Pt/C(32 mV, 30.5 mV/dec)。质量活性达6.06 A/mg_Pt
@100 mV，是传统催化剂的2.3倍。

【Stability tests】
加速耐久性测试后，催化剂保留81.96%的初始活性。原位XPS证实Ce的4f轨道电子转移至Pt的5d轨道，形成Pt^δ-
-Ce^δ+
电荷极化，这种电子重排不仅优化了H*吸附能，还通过SMSI效应固定了纳米颗粒。

结论部分指出，该研究通过生物质衍生策略实现了三大突破：1) 创纪录的低铂负载量(3.24 wt%)下获得商业级HER活性；2) 阐明了Ce调变Pt电子结构的"电子缓冲器"机制；3) 为工业化生产提供了可扩展的绿色合成路径。讨论中特别强调，木材特有的微管道结构使电解液传质效率提升37%，这一发现为下一代三维电极设计提供了重要参考。值得注意的是，催化剂在模拟工业条件(500 mA/cm²
)下仍保持>95%的法拉第效率，展现出实际应用潜力。