本站訊 近日，中國海洋大學材料科學與工程學院曹立新和董博華團隊在電解水制氫用非晶納米催化劑領域取得新進展，提出了利用非晶超薄殼層改善鉑族貴金屬催化劑穩(wěn)定性和催化活性的新策略。研究成果以“Grafting Ultra-fine Nanoalloys with Amorphous Skin Enables Highly Active and Long-lived Acidic Hydrogen Production”（超細納米合金接枝無定形皮膚，實現(xiàn)長效穩(wěn)定酸性析氫）為題在國際化學與材料領域頂級學術期刊Angewandte Chemie International Edition上發(fā)表。
為實現(xiàn)“碳中和、碳達峰”的目標，亟需尋找清潔高效的可再生能源，如氫氣等，電解（海）水，特別是利用可再生電力進行電解制氫，被認為是一種極具前景的可持續(xù)生產清潔氫氣的策略。然而由于電解水反應內在的緩慢動力學，導致實際需要的電位過大，因此尋找高效穩(wěn)定的電解水催化劑提高轉換效率迫在眉睫。非晶納米材料由于其長程無序、短程有序的結構特點，具有豐富的催化位點以及良好的結構柔韌性，已成為極具潛力的電催化劑材料。曹立新和董博華團隊長期致力于非晶納米光/電催化劑的研究，在非晶納米光/電催化劑的可控合成及構效關系研究方面取得了一系列進展。
當前質子交換膜電解水技術因其具有低歐姆損失、低膜氣滲透性和快速的動態(tài)響應等優(yōu)點而受到研究人員的廣泛關注。大規(guī)模部署質子交換膜電解槽需要降低析氫反應電催化劑對鉑族金屬的需求，超小尺寸的納米粒子具有豐富的催化活性位點，但是面臨著在腐蝕性的酸體系長期工作時穩(wěn)定性較差的缺點與不足。
針對上述問題，團隊在前期非晶納米催化劑的研究基礎上，發(fā)展了非晶超薄殼層改善鉑族金屬催化劑的穩(wěn)定性和催化活性的設計策略，即通過原位硒化策略在超小鉑釕納米合金表面原位構筑超薄無定形非晶層用以增強鉑釕催化劑的酸性析氫催化活性和穩(wěn)定性。在該復合結構中，其內部為鉑釕合金單晶，表面為超薄鉑釕硒非晶層，類似于在合金單晶表面“移植”了一層“非晶皮膚”。一系列的實驗和理論計算研究表明超薄“非晶皮膚層”在酸性析氫反應中發(fā)揮了重要作用。首先，超薄非晶層具有大量缺陷，可以暴露出更多催化活性位點，賦予催化劑較高的催化活性。特別是，具有~0.6 nm厚度非晶層的催化劑，在70 mV下可獲得26.7 A mg?1的超高質量活性，比商用Pt/C催化劑高15.6倍。其次，“非晶皮膚層”具有一定的結構柔韌性，減緩了活性物種的溶解，提高了催化劑的整體穩(wěn)定性，在?10 mA cm?2電流密度下能夠穩(wěn)定運行1000小時，在?100 mA cm?2電流密度下保持至少550小時的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)于商業(yè)Pt/C和最新報道的貴金屬催化劑。
該工作中將鉑釕硒 “非晶皮膚”原位構筑在超小鉑釕納米合金上的結構設計獲得了一石三鳥的效果：首先提高了催化劑表面的電化學可及性，其次增加了催化位點的內在活性，減緩了活性物種的溶解/擴散，最終提高了催化劑在酸性環(huán)境下的催化活性和穩(wěn)定性。這項研究成果提供了一種理性的表面納米非晶化工程設計策略，同時提高鉑基貴金屬電催化劑的活性和穩(wěn)定性，從而為質子交換膜電解水技術的大規(guī)模應用提供了新思路。
論文第一作者為中國海洋大學材料科學與工程學院2023屆碩士生曾彪，通訊作者為董博華副教授，中國海洋大學為第一完成單位。該工作得到了山東省自然科學基金、山東省重點研發(fā)計劃和山東省自然科學基金重大基礎研究項目的資助。
通訊員：曾彪 董博華
圖1. 催化劑的形貌結構表征圖
圖2. 催化劑的電催化析氫性能圖
通訊員：曾彪/董博華
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202400582
編輯：趙奚赟
責任編輯：李華昌
