北科/西工大AFM : 构建低Ir-Pt合金金属玻璃催化剂，实现高效水电解

催化开天地 · 公众号 · · 2024-08-31 08:30

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由太阳能和风能等可再生能源提供动力的水电解，为生产清洁氢燃料提供了一种可持续的方法。同时，低成本、高活性和稳定的催化剂对于该技术的大规模商业应用是至关重要的和必需的。虽然贵金属(如Ir和Pt)具有优异的催化活性，但由于储量有限和价格昂贵，限制了它们在水电解设备中的大规模使用。对于非贵金属材料，如过渡金属氧化物/氢氧化物缺乏必要的活性和稳定性。因此，迫切需要开发具有高性价比的高效催化剂用于满足实际水电解应用的需求。

近日， 北京科技大学刘雄军 和 西北工业大学李睿 等采用简单的合金化和表面工程的方法在金属玻璃(MG)表面构建贵金属合金活性中心用于高效水电解。具体而言，首先将少量Ir和Pt (总量≤1)在Ni-Nb MG体系中共合金化，随后通过简单的脱合金化工艺，在MG载体上制备出具有表面Ir和富Pt蜂窝纳米孔特性的独特催化剂结构(D-NiNbIrPt)。作为一种双功能催化剂，D-NiNbIrPt在碱性条件下表现出优异的HER和OER性能，在10 mA cm ^-2 电流密度下的过电位分别为19和242 mV。

此外，基于D-NiNbIrPt的水电解槽仅需1.51 V的电池电压就能产生10 mA cm ^-2 的电流密度，并且能够在500 mA cm ^-2 下连续稳定运行超过300小时。

一系列结构表征和理论计算表明，表面脱合金化MG催化剂的优异性能主要归功于：1.蜂窝状纳米多孔结构，它暴露出丰富的催化活性中心；2.Ir的引入有利于水的解离，加速了H*的生成，同时减弱了H*在Pt位点上的吸附；3.合金化的Pt可以反向调节*OH在Ir位上的吸附，并显著降低OER过程中的反应能垒，从而促进整体水电解；4.Ir和Pt的共合金化产生大量的应变效应，有效调节电子的相互作用，进一步提升反应活性。