铂基合金的三叉星纳米结构:调控电催化剂性能的新思路

众所周知,氢能具有非常高的能量密度和极低的环境污染,对于洁净能源的利用开发是至关重要的。电催化析氢反应(HER)是在阴极表面的析氢过程,可以在可逆氢燃料电池等技术中发挥重要的产氢功能,因而成为一种广受关注的清洁可再生能源技术。制约该技术发展及应用的关键瓶颈是如何实现低成本、高效能电催化剂的设计与开发。

过渡金属(特别是贵金属基材料)具有很高的电催化活性,一直是相关研究的热点材料。尽管近年来过渡金属硫属化合物等材料获得了飞速发展,金属铂依然是该系列反应中最具电催化活性和性能稳定性的材料。美中不足的是,金属铂具有较高材料成本的不足,促使人们一直在寻找降低金属铂用量的方法。因此,从提升性能和降低成本的双重角度来看,铂基催化剂的设计与研发都具有重要意义。长期以来的研究工作表明,提高材料电催化活性的关键在于表面结构和电子结构的调控。然而,如何同步调控该两个参数是相关材料设计与制备的重大挑战。1

中国科学技术大学熊宇杰研究团队基于无机精准制备化学,设计和开发出了一系列化学组分可调且具有三叉星状的三元合金PtFeCo纳米结构,为多角度系统研究电催化析氢反应中的构效关系提供了绝佳平台。该系列PtFeCo三叉星纳米结构在减少贵金属Pt用量的情况下,获得了显著增强的电催化HER活性。其中Pt81Fe28Co10三叉星纳米结构在 -400 mV电压下的电流密度高达1325 mA cm-2,是商用铂炭催化剂的4倍以上,远优于其他同源铂基催化剂。与此同时,该催化剂的稳定性与其他铂基催化剂相比,也得到进一步改善。

在该研究中,研究人员不仅实现了铂基纳米合金晶格中Fe和Co原子比例的精准调控,而且构筑了具有高催化活性的三叉星状结构。系统研究表明,该纳米合金中电子结构和表面结构的同步优化,对电催化HER性能的提升起到了至关重要的作用。其合作者江俊课题组通过理论模拟计算,揭示了合金晶格中Co原子的引入可以诱导产生原子间电荷极化,调控原子电子密度,同时调制了金属Pt原子位点的d-带中心,有利于提高催化位点的活性。基于该认识,研究人员建立了合金化学组成与电催化HER性能之间的构效关系。

该三元合金PtFeCo三叉星状纳米结构的构筑,从实验和理论层面上系统清晰地阐释了基于元素组成、电子结构和表面结构三位一体的协同调控机制,为低成本、高性能合金催化剂的理性设计与构筑开辟了新的路径。该研究提出的晶格工程思路,将拓展人们对电能-化学转化中电子运动“微观引擎”的控制能力,对原子精度上的电催化剂设计具有推动作用。相关研究结果发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201504785)上。