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    我国学者在非晶合金析氢催化领域取得新进展

    日期 2019-12-26   来源:工程与材料科学部   作者:郑雁军 邓意达  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号: 51825104,11790291,61888102)等资助下,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心柳延辉、汪卫华团队和和西南石油大学葛性波合作,发现Ir-Ni-Ta非晶合金在酸性条件下具有高的析氢反应催化活性和良好稳定性。研究成果以“Low-Iridium-Content IrNiTa Metallic Glass Films as Intrinsically Active Catalysts for Hydrogen Evolution Reaction”(具有析氢反应本征催化活性的低铱含量IrNiTa非晶合金)为题,于2019年12月06日在Advanced Materials(《先进材料》)上在线发表。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201906384?af=R。

      氢气具有极高的比能量,燃烧产物只有水,因此被视为清洁能源载体。电解水,即将水电解生成氢气和氧气,是一种高效清洁的产氢方式。为了促进电解水析氢反应(2H+ + 2e → H2)的进行,在较低的过电位下实现较高的反应速率,常需要使用高效的催化剂。一般认为,Pt和Ir等铂系金属是最有效的析氢反应催化剂。为了更有效地使用Pt和Ir等贵金属,目前的研究大都集中在降低贵金属的用量方面,虽然以非贵金属元素为主的合金催化材料可以同时实现高活性和低贵金属用量的目的,但这类材料通常在酸性条件下会因腐蚀而导致稳定性不足。非晶合金(又称金属玻璃)具有独特的无序原子结构,与原子处于平衡位置的晶体材料不同,亚稳态的非晶合金表现出许多优异的力学和物理化学特性。例如,Ir-Ni-Ta非晶合金具有强耐蚀的特点,可在王水中浸泡数月而不被腐蚀。结合Ir元素的催化活性,这一材料体系有望解决以非贵金属为主的合金催化剂在酸性条件下稳定性不足的问题。

      柳延辉等人通过离子束溅射沉积方法制备了Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜,研究了这一材料体系在酸性条件下的析氢反应催化活性和稳定性。实验制备的Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜厚度仅为15 nm,贵金属Ir的负载量约为8.14 μg cm-2。值得注意的是,该薄膜的表面呈现出接近原子级别的平整度,这对于评价材料的本征催化活性极为重要。研究表明,在0.5 M H2SO4环境下,该Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜仅需99 mV的过电位即可驱动10 mA cm-2的电流密度。虽然这一数值高于同样条件下的Pt(46 mV)和Ir(59 mV)薄膜的过电位,却远低于如CoP(202 mV)等磷化物薄膜的过电位。而Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的塔菲尔斜率为35 mV dec-1,与Pt(28 mV dec-1)和Ir(30 mV dec-1)薄膜相近。在1000次循环伏安扫描后,Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的催化活性并未发生变化;在10 mA cm-2的恒定电流密度下检测过电位的变化,经过10小时的测试,其过电位的增加仅为50 mV。与之相比,Pt和Ir薄膜在10小时测试后过电位的增加则分别高达250和200 mV。这说明Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜具有比Pt和Ir更高的催化稳定性。尤为重要的是,Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的催化活性并非来源于复杂的表面结构或高的贵金属负载量,而是本征性能。计算表明,Ir25Ni33Ta42非晶合金在单位时间单个活性位点上生成的氢气分子的数目要远高于过渡金属硫化物和磷化物,并且可以和其他含贵金属的催化剂相媲美。其优异催化性能可能主要归因于其合金体系和非晶态结构。该研究不仅为析氢反应催化材料提供了一个新体系,还有助于设计开发用于其他异相催化反应的多元合金。




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