电催化水分解制氢作为实现可再生能源储存和碳中和战略目标的重要技术之一，具有经济、清洁和环境友好等优点，被广泛认为是一种高效、可行和有前景的制氢方法。阴极析氢反应(HER)作为电化学水分解的重要半反应，已受到人们广泛的研究。
然而，尽管已经做出了巨大的努力来加速电极表面水解离产生质子的多反应过程，但仍然存在一些问题没有得到足够的重视，如反应过程中离子浓度的变化和缓慢的动力学。因此，开发一种能够在全pH范围内高效、稳定地工作以适应质子浓度变化的催化剂是非常必要的，但这仍是一项具有挑战性的工作。近日，南开大学杜亚平和香港理工大学黄勃龙等通过一种简单的一锅合成法和挥发溶剂法，将Pt纳米粒子负载于高熵稀土氧化物(HEREOs)上(Pt-(LaCeSmYErGdYb)O)，该催化剂具有丰富的氧空位，并在全pH范围内表现出优异的HER活性。实验结果表明，Pt-(LaCeSmYErGdYb)O的高熵效应使其在较宽的pH范围内具有优异的HER性能，在0.5 M H2SO4、1.0 M KOH和1.0 M PBS中分别仅需要12、57和77 mV的过电位就能达到100 mA cm−2的电流密度。此外，Pt-(LaCeSmYErGdYb)O还表现出优异的质量活性(37.7 A mg−1Pt)和TOF值(38.2 s−1@12 mV)，并且具有良好的长期稳定性(在400 mA cm−2@60 °C，0.5 M H2SO4中连续反应100 h)，远远优于目前报道的大多数HER催化剂。密度泛函理论(DFT)计算表明，具有丰富d和f轨道的HEREO不仅可以加速电子转移，而且可以稳定Pt 5d轨道，从而表现出强烈的电活性；同时，不同稀土元素的协同作用保证了质子的最佳结合强度和水的快速解离，促进了在酸性、中性和碱性环境中的HER反应动力学。综上，该项工作为新型稀土材料在电催化水解制氢过程中的应用以及未来稀土材料在电化学领域的发展提供了有价值的参考。Pt-modified high entropy rare earth oxide for efficient hydrogen evolution in pH-universal environments. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c13367
