本文由Rhone P. Brocha Silalahi、Hao Liang、Yongsung Jo、Jian-Hong Liao、Tzu-Hao Chiu、Ying-Yann Wu、Xiaoping Wang、Samia Kahlal、Qi Wang、Woojun Choi、Dongil Lee、Jean-Yves Saillard、C.W. Liu等学者共同完成，研究成果发表于2024年2月29日的《Chemistry – A European Journal》期刊。研究的核心内容为开发和研究氢化物含量的Pt掺杂Cu富集纳米簇的合成方法、结构特性及其在电催化氢气演化反应（HER）中的应用。
随着能源危机和环境问题的加剧，氢气作为一种清洁能源载体，吸引了广泛的关注。为实现可持续的氢气生产，开发高效且成本低廉的电催化剂显得尤为重要。氢气演化反应（HER）是电解水制氢的关键反应，其催化剂的性能直接影响到氢气的生产效率。尽管铂（Pt）基催化剂在HER中的表现极为出色，但由于其高昂的成本，开发低铂含量的高效催化剂成为研究的热点。
近年来，研究表明通过合金化、掺杂等手段改性Pt基催化剂，能够显著提高催化性能且降低铂的使用量。铜（Cu）作为地球丰度高且价格较低的金属，在HER催化中展现了良好的潜力。因此，利用Pt掺杂Cu富集的纳米簇，并探索其在HER中的应用，成为该研究的主要动机。
本研究采用了一系列化学合成和表征方法，开发了氢化物含量的Pt掺杂Cu富集纳米簇。这些纳米簇包括[PtH2Cu14{S2P(OiPr)2}6(CCPh)6]（1）、[PtCu11{S2P(OiPr)2}6(CCPh)4]（2）和[PtH2Cu11{S2P(OiPr)2}6(CCPh)3]（3）三种不同的结构变体。研究的工作流程可以分为以下几个主要步骤：
合成过程：通过将Cu20H11{S2P(OiPr)2}9与Pt(S2P(OiPr)2)2反应，合成了Pt掺杂的Cu富集纳米簇[PtH2Cu14{S2P(OiPr)2}6(CCPh)6]（1）。随后，在此基础上使用CF3COOH进行酸处理，分别获得了2和3这两种不同的结构。每个步骤的合成反应都在适宜的溶剂和条件下进行，通过精确的化学计量和反应时间控制，成功得到高纯度的产物。
表征与分析：采用X射线衍射（XRD）、核磁共振（NMR）、质谱（MS）等表征手段对合成的纳米簇进行了详细分析。研究发现，1的结构为一个双帽二十面体的Cu14框架，内嵌一个线性PtH2单元。通过进一步的酸处理，得到的2和3分别具有缺失顶点的Cu11立方八面体和失真三角柱形结构。
电催化测试：通过在0.5 M H2SO4溶液中进行线性扫描伏安法（LSV）测试，评估了这些Pt掺杂Cu富集纳米簇在HER中的电催化性能。研究表明，纳米簇2具有显著优异的HER活性，其起始电位为-0.03 V，Tafel斜率为39 mV·dec-1，并且在3000个周期中保持良好的催化活性。
理论计算与模拟：为了更深入地理解这些纳米簇的催化机制，研究者还进行了密度泛函理论（DFT）计算，揭示了2的电子结构和反应路径。结果表明，PtH2Cu14和PtCu11的结构差异显著影响了氢吸附的方式，进而影响了HER的反应路径。
合成与结构特征： 研究成功合成了三种不同的Pt掺杂Cu富集纳米簇。簇1展示了一个双帽二十面体Cu14框架，内含一个线性PtH2单元；簇2则为一个缺失顶点的Cu11立方八面体，其中心为Pt原子；簇3则是一个失真三角柱形的Cu11框架，包裹着线性PtH2单元。
电催化氢气演化反应（HER）性能： 在HER测试中，簇2表现出卓越的催化活性，尤其在起始电位和Tafel斜率方面，优于簇1和簇3。簇2在0.5 M H2SO4溶液中，起始电位为-0.03 V，Tafel斜率为39 mV·dec-1，表明其在HER中的氢吸附和脱氢步骤十分高效。与标准的Pt/C催化剂相比，簇2的催化性能可与之媲美。
结构与催化机制的关系： 通过DFT计算，研究揭示了簇2中Pt中心的特殊作用。簇2中缺失顶点的Cu11立方八面体框架为Pt原子提供了更好的质子接触通道，极大地促进了氢的吸附和脱氢步骤。这一结构差异与簇1和簇3的HER表现之间的差异密切相关，表明Pt原子周围的结构有助于提高HER活性。
本研究通过合成氢化物含量的Pt掺杂Cu富集纳米簇，探索了其在电催化氢气演化反应中的应用，取得了以下重要结论：
本研究的意义在于提供了一种低铂含量但具有高HER催化活性的纳米簇，具有良好的耐久性和高的法拉第效率，为催化剂的设计和能源转化领域提供了新的见解。该研究为基于铜的Pt掺杂催化剂的开发奠定了基础，具有广泛的应用前景。
通过这项研究，学者们进一步揭示了Pt掺杂Cu富集纳米簇在氢气演化反应中的优越性能，并为开发低成本、高效率的催化剂提供了新的途径。