廉价兼高性能的电化学能源催化剂——由多组元的高熵金属间化合物制成

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氢能被视为未来洁净能源的出路之一,科学家们因而各出奇谋,研发高效而又成本低的制氢方法。香港城市大学(香港城大)一支擅於研究结构材料的团队,近日便利用创新的合金设计理念,制备了一种廉价丶可大规模工业化地生产的高性能合金催化剂,有助推动以电化学制氢的广泛应用。

科学家们因而各出奇谋,研发高效而又成本低的制氢方法。香港城市大学(香港城大)一支擅于研究结构材料的团队,近日便利用创新的合金设计理念,制备了一种廉价、可大规模工业化地生产的高性能合金催化剂,有助推动以电化学制氢的广泛应用。

有关研究由香港城大副校长(研究及科技)兼机械工程学讲座教授吕坚教授和工学院大学杰出教授刘锦川教授共同带领,研究结果早前于国际学术期刊《先进材料》(Advanced Materials)上,以〈A Novel Multinary Intermetallic as an Active Electrocatalyst for Hydrogen Evolution〉为题发表。

以氢作为能源的过程中只产生水,不像化石燃料般产生二氧化碳,因而被视为解决温室气体和能源短缺的有效手段。其中,以电化学分解水来制氢,过程相对环保,应用潜力大。不过,现时的催化剂多以贵金属制成,如铂(platinum)、钯 (Palladium),成本高昂,因而窒碍了电化学制氢的技术发展。

刘锦川教授的团队早前首次提出了高熵金属间化合物(high-entropy intermetallic)的合金设计理念,通过在纳米尺度下引入高密度的多组元金属间化合物(intermetallic compounds)纳米颗粒,成功克服了传统金属材料里,强度与延展性不可兼得的瓶颈问题,成果于顶尖学术期刊《科学》上发表。由于高熵金属间化合物兼具独特的有序原子结构和含有多种金属元素,因而产生协同效应,这合金设计新策略也为开发新型高性能的催化剂带来了启示。

采用合金设计理念制备合金催化剂

这次专门研究贵金属的吕坚教授团队与刘锦川教授团队联手,采用上述创新的合金设计理念,制备出一种高熵金属间化合物(high-entropy intermetallic, HEI)合金催化剂。这合金催化剂包含铁、钴、镍、铝和钛这五种主要金属成份,且具有明确的原子周期排列结构。团队通过简单、一步到位的多组元复式合金,制备出拥有微细枝晶形貌的多孔结构,大大提高了催化剂的电化学反应活性位点,使电化学反应更高效。

Conceptual design of the multinary intermetallic electrocatalyst.
多组元高熵金属间化合物催化剂的概念设计,把具有双相结构的高熵金属间化合物(HEI)脱合金到多孔枝晶状结构的示意图。(图片来源︰DOI: 10.1002/adma.202000385)

 

所谓高熵合金(high-entropy alloys, HEAs),一般是指由四种或以上的金属元素制成的新型合金材料,具有良好的机械、物理、化学等性能。同时,由于它含有的元素种类多,多组元金属间产生协同效应,因此催化性能优异,只是碍于传统高熵固溶体合金的内部原子排列无序,导致难以在原子尺度下对其电子结构和活性位点进行调控,以促进电化学反应。

另一方面,金属间化合物 (intermetallic compounds) 即金属与金属、或金属与非金属形成的一种多组元合金组成物,其晶格结构有别于原来组成成分的晶格。由于其有序的原子结构促使活性位点分离,而且电子结构可被调控,被视为有潜力的催化剂。然而,目前针对金属间化合物催化剂的研究大多集中于二元合金,并没有多组元金属之间的协同催化作用。

因此,这次研究成果,正是把高熵固溶体合金多组元化学协同的优点,与金属间化合物结构位点分离的优势,两相结合。

结合高熵固溶体合金与金属间化合物的优势

团队通过结合原子级球差电子显微镜和三维原子探针,进行实验,验证了多组元结构中的原子排序,并通过进一步理论计算得出,正是这种多元金属原子之间的协同作用和独特的金属间化合物的有序的原子构型,能够更有效地优化这合金材料的电子结构,从而优化电解水析氢过程中的能量势垒。

由于这种合金具有独特的成份和结构设计,这高熵金属间化合物催化剂在碱性电解液中,表现出良好的析氢活性。

Schematic illustration of the hydrogen evolution reaction process
高熵金属间化合物催化剂在析氢反应过程的示意图。(图片来源︰DOI: 10.1002/adma.202000385)

 

刘锦川教授说︰“我们这种制备高熵金属间化合物的独特策略,成功开拓了一种新方法,去制备电化学反应活性高的催化剂来分解水,产生氢气。”

吕坚教授说︰“这次研究里,制备高熵金属间化合物的物理冶金方法,其实已经被大规模应用于工业化生产,加上选用了成本较低的金属作为主要原材料,因此我们相信,这种催化剂将为下一步工业化电化学制氢,带来了广阔的应用前景。”

论文的第一作者是香港城大的贾喆博士、博士后研究员杨涛博士和毕业生孙李刚博士(现于哈尔滨工业大学任职),来自香港城大的其他合作者包括︰材料科学讲座教授黄志青教授、核子工程讲座教授开执中教授、博士后研究员赵怡潞博士、三维原子探针联合研究实验室高级副研究员栾军华博士、材料科学及工程学系博士生李万鹏和机械工程学系博士生吕富聪

Professor Lu Jian’s and Professor Liu Chain-tsuan
香港城大吕坚教授(右)与刘锦川教授(左)的团队联手,最近制备了一种廉价、可大规模工业化地生产的高性能合金催化剂,有助推动以电化学制氢的广泛应用。

 

Advanced Materials
该论文获Advanced Materials于封底推荐。(图片来源︰Advanced Materials网站截图)

 

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