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    我国学者在电解水析氢催化材料研究领域取得新进展

    日期 2019-10-25   来源:工程与材料科学部   作者:郑雁军 邓意达  【 】   【打印】   【关闭

    图. 物理法制备含有高密度堆垛层错的银纳米颗粒:(a)脉冲激光液相烧蚀合成银纳米颗粒示意图;(b)块体银靶;(c)银纳米颗粒胶体溶液;(d-f)含有高密度堆垛层错的银纳米颗粒透射电镜图像

      在国家自然科学基金项目(批准号:51871160,51671141,51471115)等资助下,天津大学新能源材料研究所杜希文、刘辉团队利用传统的物理加工工艺在银纳米晶中形成高密度堆垛层错,使得不具备催化活性的银转变成高析氢催化活性的材料。研究成果以“A Silver Catalyst Activated by Stacking Faults for the Hydrogen Evolution Reaction”(堆垛层错激活银的高析氢催化活性)为题,于2019年10月14日在Nature Catalysis(《自然•催化》)上发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41929-019-0365-9。

      氢气作为能源因其具有清洁高效的特点而引起科研人员的广泛关注,电解水制氢是获得氢能的一种有效途径,其效率依赖于电极材料的催化性能。高效的析氢催化材料必须同时具备高催化活性、高导电性、低成本以及良好的稳定性。目前,优异的析氢催化剂仍以贵金属铂或者铂基材料为主,但是金属铂高昂的价格极大地限制了其在工业中的应用。银是价格相对低廉的贵金属材料,同时也是导电性良好的金属,但银的d轨道被电子完全填充,导致其无法吸附析氢反应的中间体,一般认为银几乎没有析氢催化活性。

      杜希文、刘辉、李喆等人利用传统的脉冲激光液相烧蚀工艺,以具有最低堆垛层错形成能的银(16 mJ/m2)为研究对象,利用脉冲纳秒激光激发水中的银靶,使银在液相中快速凝固,制备出具有高密度堆垛层错的银纳米颗粒(如图)。对产物在酸性条件下进行析氢催化性能测试,发现其具有超高的催化活性(过电势32 mV@ 10 mA cm-2 ,Tafel斜率为 24 mV/dec),超过商用铂催化剂。同时它还具有优异的催化稳定性,经过160小时持续工作,其催化活性几乎没有衰减。通过同步辐射、球差校正电镜等表征以及理论计算发现,堆垛层错不仅能够降低表面原子配位数,而且产生了大量拉伸应变。低配位数和高拉伸应变共同作用,增强了银对析氢反应中间体的吸附,获得了超高催化活性。由于高密度堆垛层错银纳米颗粒具有相对低廉的成本、高的活性、良好的稳定性和高导电性,可望取代贵金属铂作为工业电解水析氢催化材料。同时该研究工作提出通过调控材料内在缺陷来改变其物理化学性质的新思路,对设计和制备高性能功能材料具有重要的借鉴意义。




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