Advanced Materials:非晶合金新应用——柔性、高效电解水析氢催化剂

近日,北京科技大学新金属材料国家重点实验室、北京材料基因工程高精尖创新中心吕昭平教授团队在非晶合金应用于电化学析氢高性能催化剂研究方面取得重要进展。

氢气作为一种高能量密度的清洁可持续能源,受到人们的广泛关注。迄今为止,电解水被认为是最有效的制氢方法,然而电解水过程中涉及到的阴极还原析氢反应(HER)需要较高过电势,在很大程度上限制了产氢的效率。Pt是公认最为有效的HER催化剂,然而贵金属的昂贵成本极大制约了实际生产的应用,因此探索低Pt甚至非Pt催化剂材料成为该领域的研究热点。此外,由于碱性介质中的HER动力学比酸性介质中的HER动力学低2~3数量级,开发低成本、高效碱性HER催化剂也是目前研究的重点方向。近年来,碱性HER实际应用化对催化电极材料提出了全新的要求:(1)高HER电催化活性;(2)稳定的自支撑结构;(3)低成本。

基于上述需求,吕昭平教授团队设计了一种具有优异机械柔性的纳米多孔/非晶复合材料,该复合材料以Ni基非晶合金作为前驱体,采用表面脱合金化方法制备得到。复合材料具有类 “三明治”的分层结构:表面为纳米多孔层,中间为非晶基体层。在Ni-Zr-Ti非晶合金前驱体中加入少量Pt(≤ 3 at%), 通过表面脱合金化,可以进一步获得表面具有蜂窝状富Pt结构的柔性纳米多孔//非晶复合材料,该三维复合结构可直接应作为HER催化电极,在1 mol/L KOH电解液中表现出优异的电催化活性:10 mA/cm2电流密度条件下的过电位为37 mV, Tafel斜率低至30 mV/dec,明显优于商业Pt/C催化剂(20 wt% Pt)。该论文亮点在于:(1)少量Pt元素添加,可在非晶基体表面获得蜂窝状Pt75Ni25固溶体纳米多孔双连续结构,为电催化反应提高更多活性位点和接触面积,促进电荷转移和电解液渗透,提升析氢反应速率;(2)小原子Ni引入Pt晶格,在材料表面产生压应变效应,有效降低氢吸附能,进一步促进析氢;(3)韧性非晶基体赋予复合材料优异的稳定性和机械弯曲柔性,更适于实际应用。

该工作不仅提出了一种新颖、可靠的制备低成本高效柔性HER催化剂的方法,同时也有助于理解电催化过程中的合金化作用。该工作可以拓展到其他非晶合金体系,为非晶合金的功能应用提供了新的思路。相关研究论文以 “Flexible honeycombed nanoporous/glassy hybrid for efficient electrocatalytic hydrogen generation” 为题在Advanced Materials上发表(DOI:10.1002/adma.201904989)。这项研究获得了国家自然科学基金、教育部长江学者和创新团队发展计划、新金属材料国家重点实验室自主课题等项目的资助。