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    我國學者在非晶合金析氫催化領域取得新進展

    日期 2019-12-26   來源:工程與材料科學部   作者:鄭雁軍 鄧意達  【 】   【打印】   【關閉

      在國家自然科學基金項目(批準號: 51825104,11790291,61888102)等資助下,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、汪衛華團隊和和西南石油大學葛性波合作,發現Ir-Ni-Ta非晶合金在酸性條件下具有高的析氫反應催化活性和良好穩定性。研究成果以“Low-Iridium-Content IrNiTa Metallic Glass Films as Intrinsically Active Catalysts for Hydrogen Evolution Reaction”(具有析氫反應本征催化活性的低銥含量IrNiTa非晶合金)為題,于2019年12月06日在Advanced Materials(《先進材料》)上在線發表。論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201906384?af=R。

      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,是一種高效清潔的產氫方式。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。一般認為,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等貴金屬,目前的研究大都集中在降低貴金屬的用量方面,雖然以非貴金屬元素為主的合金催化材料可以同時實現高活性和低貴金屬用量的目的,但這類材料通常在酸性條件下會因腐蝕而導致穩定性不足。非晶合金(又稱金屬玻璃)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。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。

      柳延輝等人通過離子束濺射沉積方法制備了Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜,研究了這一材料體系在酸性條件下的析氫反應催化活性和穩定性。實驗制備的Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜厚度僅為15 nm,貴金屬Ir的負載量約為8.14 μg cm-2。值得注意的是,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征催化活性極為重要。研究表明,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。而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。尤為重要的是,Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的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,而是本征性能。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。其優異催化性能可能主要歸因于其合金體系和非晶態結構。該研究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。




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