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高效非晶合金析氫反應催化劑研究獲進展
發布:Iron_MAN10   時間:2019/12/17 15:11:44   閱讀:241 
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氫氣具有極高的比能量,燃燒產物只有水,因此被視為清潔能源載體。電解水,即將水電解生成氫氣和氧氣,是一種清潔的產氫方式。為了促進電解水析氫反應(2H+ + 2e- → H2)的進行,在較低的過電位下實現較高的反應速率,常需要使用高效的催化劑。在酸性條件下,Pt和Ir等鉑系金屬是最有效的析氫反應催化劑。為了更有效地使用Pt和Ir等鉑系金屬,人們提出了兩種主要的策略:1、降低貴金屬催化材料的維度以提高比表面積;2、將貴金屬與非貴金屬元素制成合金以減少貴金屬的用量。雖然將這兩種策略結合起來更有希望獲得活性更高、貴金屬使用量更低的催化材料,但以非貴金屬元素為主的合金催化劑很可能在酸性條件下因腐蝕而導致穩定性不足。

非晶合金(又稱金屬玻璃)是一類新型的多組元合金材料,具有獨特的無序原子結構。與原子處于平衡位置的晶體材料不同,亞穩態的非晶合金表現出許多優異的力學和物理化學特性,吸引了材料科學和凝聚態物理等多個領域的廣泛關注。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心柳延輝、汪衛華團隊近期在非晶合金領域引入材料基因工程理念,發展了獨特的高通量實驗方法,實現了非晶合金新材料的高效探索,成功研制出Ir-Ni-Ta高溫非晶合金新材料體系[Nature, 99, 569 (2019)]。這一新材料體系除了表現出優異的力學性能,也蘊含著豐富的、仍待探索的功能特性。例如,Ir-Ni-Ta非晶合金具有強耐蝕的特點,可在王水中浸泡數月而不被腐蝕。結合Ir元素的催化活性,這一材料體系有望解決以非貴金屬為主的合金催化劑在酸性條件下穩定性不足的問題。

最近,該團隊開展了Ir-Ni-Ta非晶合金催化性能的研究,該團隊博士生王子鑒在研究員柳延輝、汪衛華和西南石油大學副教授葛性波的共同指導下,通過離子束濺射沉積方法制備了Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜,測試了Ir-Ni-Ta這一新材料體系在酸性條件下的析氫反應本證催化活性和穩定性。

Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的厚度為15 nm,貴金屬Ir的負載量約為8.14 μg cm-2。值得指出的是,該薄膜的表面呈現出接近原子級別的平整度,這對于評價材料的本證催化活性極為重要。在0.5 M H2SO4環境下,該Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜僅需99 mV的過電位即可驅動10 mA cm-2的電流密度。雖然這一數值高于同樣條件下的Pt(46 mV)和Ir(59 mV)薄膜的過電位,卻遠低于如CoP(202 mV)等磷化物薄膜的過電位。Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的塔菲爾斜率為35 mV dec-1,與Pt(28 mV dec-1)和Ir(30 mV dec-1)薄膜的相近。在1000次循環伏安掃描后,Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的催化活性并未發生變化;在10 mA cm-2的恒定電流密度下檢測過電位的變化,經過10小時的測試,其過電位的增加僅為50 mV。與之相比,Pt和Ir薄膜在10小時測試后過電位的增加則分別高達250和200 mV。這說明Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜具有比Pt和Ir更高的催化穩定性。

和已報道的非晶合金催化劑相比,Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜兼具較低的過電位和塔菲爾斜率。尤為重要的是,其催化活性并非來源于復雜的表面結構或高的貴金屬負載量,而是本證性能。計算表明,Ir25Ni33Ta42非晶合金在單位時間單個活性位點上生成的氫氣分子的數目要遠高于過渡金屬硫化物和磷化物,并且可以和其他含貴金屬的催化劑相媲美。Ir25Ni33Ta42非晶合金的優異催化性能主要歸因于其合金體系和非晶態結構。這項工作不僅為析氫反應催化材料提供了一個新體系,還有助于設計開發用于其他異相催化反應的多元合金。

該研究工作得到國家杰出青年科學基金(51825104)、中科院百人計劃、中科院前沿科學重點研究計劃(QYZDY-SSW-JSC017)、中科院戰略性先導科技專項(XDB30000000)、國家重點研發計劃(2018YFA0703601)以及國家自然科學基金(11790291, 61888102)等的支持。

相關研究成果最近在線發表于《先進材料》(Advanced Materials)。

文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201906384?af=R
 

圖1. Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的制備和表征


圖2. Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的析氫反應催化活性和穩定性


圖3. Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜與其他材料的析氫反應催化性能比較


來源: 物理研究所
 
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