廉價兼高性能的電化學能源催化劑 由多組元的高熵金屬間化合物製成

文章分享 

氫能被視為未來潔淨能源的出路之一,科學家們因而各出奇謀,研發高效而又成本低的製氫方法。香港城市大學(香港城大)一支擅於研究結構材料的團隊,近日便利用創新的合金設計理念,製備了一種廉價、可大規模工業化地生產的高性能合金催化劑,有助推動以電化學製氫的廣泛應用。

有關研究由香港城大副校長(研究及科技)兼機械工程學講座教授呂堅教授和工學院大學傑出教授劉錦川教授共同帶領,研究結果早前於國際學術期刊《先進材料》(Advanced Materials)上,以〈A Novel Multinary Intermetallic as an Active Electrocatalyst for Hydrogen Evolution〉為題發表。

以氫作為能源的過程中只產生水,不像化石燃料般帶來二氧化碳,因而被視為解決温室氣體和能源短缺的有效手段。其中,以電化學分解水來製氫,過程相對環保,應用潛力大。不過,現時的催化劑多以貴金屬製成,如鉑(platinum)、鈀 (Palladium),成本高昂,因而窒礙了電化學製氫的技術發展。

劉錦川教授的團隊早前首次提出了高熵金屬間化合物(high-entropy intermetallic)的合金設計理念,通過在納米尺度下引入高密度的多組元金屬間化合物(intermetallic compounds)納米顆粒,成功克服了傳統金屬材料裡,強度與延展性不可兼得的瓶頸問題,成果於頂尖學術期刊《科學》上發表。由於高熵金属間化合物兼具獨特的有序原子結構和含有多種金属元素因而產生協同效應,這合金設計新策略也為開發新型高性能的催化劑帶來了啟示。

這次專門研究貴金屬的呂堅教授團隊與劉錦川教授團隊聯手,採用上述創新的合金設計理念,製備出一種高熵金屬間化合物(high-entropy intermetallic, HEI)合金催化劑。這合金催化劑包含鐵、鈷、鎳、鋁和鈦這五種主要金屬成份,且具有明確的原子周期排列結構。團隊通過簡單、一步到位的多组元複式合金,製備出擁有微細枝晶形貎的多孔結構,大大提高了催化劑的電化學反應活性位點,使電化學反應更高效。
 

Conceptual design of the multinary intermetallic electrocatalyst.
多組元高熵金屬間化合物催化劑的概念設計,把具有雙相結構的高熵金屬間化合物(HEI)脫合金到多孔枝晶狀結構的示意圖。(圖片來源︰DOI: 10.1002/adma.202000385)

 

所謂高熵合金(high-entropy alloys, HEAs),一般是指由四種或以上的金屬元素製成的新型合金材料,具有良好的机械、物理、化学等性能。同時,由於它含有的元素種類多,多組元金屬間產生協同效應,因此催化性能優異,只是礙於传统高熵固溶体合金的內部原子排列無序,導致難以在原子尺度下對其電子結構和活性位點進行調控,以促進電化學反應。

另一方面,金屬間化合物 (intermetallic compounds) 即金屬與金屬、或金屬與非金屬形成的一種多组元合金組成物,其晶格結構有別於原來組成成分的晶格,由於其有序的原子結構促使活性位點分离,而且電子結構可被調控,被視為有潛力的催化劑。然而,目前針對金屬間化合物催化劑的研究大多集中於二元合金,並沒有多組元金屬之間的協同催化作用。

因此,這次研究成果,正是把高熵固溶体合金多组元化學协同的優點,與金屬間化合物結構位点分离的優勢,兩相結合。

團隊通過結合原子級球差電子顯微鏡和三維原子探針,進行實驗,驗證了多組元結構中的原子排序,並通過進一步理論計算得出,正是這種多元金屬原子之間的協同作用和獨特的金屬間化合作的有序的原子構型,能夠更有效地優化這合金材料的電子結構,從而優化電解水析氫過程中的能量勢壘。

由於這種合金具有獨特的成份和結構設計,這高熵金屬間化合物催化劑在鹼性電解液中,表現出良好的析氫活性。

Schematic illustration of the hydrogen evolution reaction process
高熵金屬間化合物催化劑在釋氫反應過程中的示意圖。(圖片來源︰DOI: 10.1002/adma.202000385)

 

劉錦川教授說︰「我們這種製備高熵金屬間化合物的獨突策略,成功開拓了一種新方法,去製備電化學反應活性高的催化劑來分解水,產生氫氣。」

呂堅教授說︰「這次研究裡,製備高熵金屬間化合物的物理冶金方法,其實已經被大規模應用於工業化生產,加上選用了成本較低的金屬作為主要原材料,因此我們相信,這種催化劑將為下一步工業化電化學製氫,帶來了廣闊的應用前景。」

第一作者是香港城大的賈喆博士(現於澳洲悉尼新南威爾士大學工作)、博士後研究員楊濤博士和畢業生孫李剛博士(現於哈爾濱工業大學任職),來自香港城大的其他合作者包括︰材料科學講座教授黃志青教授、核子工程講座教授開執中教授、博士後研究員趙怡潞博士、三維原子探針聯合研究實驗室高級副研究員欒軍華博士、材料科學及工程學系博士生李萬鵬和機械工程學系博士生呂富聰

Professor Lu Jian’s and Professor Liu Chain-tsuan
香港城大呂堅教授與劉錦川教授的團隊聯手,最近製備了一種廉價、可大規模工業化地生產的高性能合金催化劑,有助推動以電化學製氫的廣泛應用。

 

Advanced Materials
該論文獲Advanced Materials於封底推薦。(圖片來源︰Advanced Materials網站截圖)

 

相關故事:

堅固又具韌性的新型高熵合金面世!

揭開不鏽鋼納米結構變形的規律 為研發既強且韌新型合金跨進一步

訂閱電子報

 

聯絡資料

副校長室 (研究及科技)

Back to top