碱性介质中Pt-Bi(x%)/C杂化电催化剂优化：低成本高效制氢新策略

本研究针对碱性介质中氢析出反应(HER)电催化剂成本高的问题，通过机械化学法合成无氧化物金属铋(Bi)纳米颗粒，制备Pt-Bi(x%)/C杂化电催化剂。优化后的NC-20催化剂较商用Pt/C降低过电位10.44%，提升电流密度53%，在13 cm2阴离子交换膜(AEM)电解槽中实现22.6%性能提升并稳定运行30小时，为绿色氢能经济提供新方案。

　　

在全球加速迈向零碳未来的背景下，可再生能源的间歇性缺陷使氢能成为关键储能载体。其中，通过电解水制备的"绿氢"因其零碳排放特性备受关注，但高昂的电解槽成本制约其发展——仅膜电极组件(MEA)中电催化剂就占总成本的36.69%。铂(Pt)基催化剂虽性能优异，但其天价阻碍商业化应用。如何降低Pt用量同时保持催化活性，成为氢能技术突破的关键瓶颈。

CSIR-国家化学实验室（印度浦那）与CSIR-国家物理实验室（印度新德里）的研究团队创新性地将廉价金属铋(Bi)引入Pt/C体系，通过机械研磨结合超声的绿色合成路径，开发出系列Pt-Bi(x%)/C杂化电催化剂。该研究发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，首次系统探索了Bi修饰对碱性HER性能的影响机制。研究采用紫外-可见光谱(UV-Vis)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段，结合三电极测试和13 cm²AEM电解槽验证，发现Bi纳米颗粒能有效调控Pt电子结构，优化反应动力学。

关键技术方法
采用机械化学法（研钵研磨）结合24小时超声制备2-9 nm金属Bi纳米颗粒；通过浸渍法合成不同Bi含量(5%-30%)的Pt-Bi/C催化剂；使用XPS分析电子结构变化；采用接触角测量表征表面润湿性；通过线性扫描伏安法(LSV)评估HER活性；在1 M KOH电解液中测试30小时稳定性；构建AEM电解槽验证实际应用性能。

表面和形貌表征
UV-Vis光谱在275 nm处观察到Bi纳米颗粒特征等离子体吸收峰，XRD证实产物为纯金属相而非氧化物。透射电镜显示Bi纳米颗粒均匀分散在碳载体上，粒径分布2-9 nm。XPS分析揭示Bi的引入使Pt的4f轨道结合能正移0.3 eV，d带中心下移，优化氢吸附自由能。

电化学性能
优化组NC-20（20% Bi）在10 mA/cm²电流密度下过电位较商用Pt/C降低10.44%，塔菲尔斜率从52.3降至41.6 mV/dec。电解槽测试中，NC-20//IrO₂组合电流密度提升22.6%，30小时持续产氢后性能衰减仅4.8%，显著优于传统Pt/C//IrO₂体系。接触角测试表明Bi修饰使催化剂表面亲水性增强，促进气泡脱附。

结论与意义
该研究开创性地将机械化学法制备的Bi纳米颗粒应用于HER电催化剂设计，证实Bi能通过电子效应和形貌调控协同提升Pt活性：一方面通过d带中心下移优化氢吸附能，另一方面增加活性位点暴露。NC-20催化剂在保持1.45倍质量活性的同时，将Pt用量降低20%，单瓦时产氢成本预计可下降18.7%。这项工作不仅为AEM电解槽提供了新型阴极材料，其"绿色合成-结构调控-器件验证"的研究范式对其它贵金属催化剂设计具有普适性指导价值。