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    我校在非晶合金的功能應用方面取得重要進展

    單位(作者):材料國重 | 來源:本站原創 | 更新時間:2019-10-29 | 點擊數:

    近日,北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平教授團隊在非晶合金應用于高效電解水析氫催化劑方面取得重要進展。

    氫氣作為一種高能量密度的清潔可持續能源,受到人們的廣泛關注。迄今為止,電解水被認為是最有效的制氫方法,然而電解水過程中涉及到的陰極還原析氫反應(HER)需要較高過電勢,在很大程度上限制了產氫的效率。Pt是公認最為有效的HER催化劑,然而貴金屬的昂貴成本極大制約了實際生產的應用,因此探索低Pt甚至非Pt催化劑材料成為該領域的研究熱點。此外,由于堿性介質中的HER動力學比酸性介質中的HER動力學低2~3數量級,開發低成本、高效堿性HER催化劑也是目前研究的重點方向。近年來,堿性HER實際應用化對催化電極材料提出了全新的要求:(1)高HER電催化活性;(2)穩定的自支撐結構;(3)低成本。

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    基于上述需求,呂昭平教授團隊設計了一種具有優異機械柔性的納米多孔/非晶復合材料,該復合材料以Ni基非晶合金作為前驅體,采用表面脫合金化的方法制備得到,復合材料具有類“三明治”的分層結構:表面為納米多孔層,中間為非晶基體層。在Ni-Zr-Ti非晶合金前驅體中加入少量Pt(≤ 3 at%), 通過表面脫合金化,可以進一步獲得表面具有蜂窩狀富Pt結構的柔性納米多孔//非晶復合材料,該三維復合結構可直接作為HER催化電極,在1 mol/L KOH電解液中表現出優異的HER電化學活性:10 mA/cm2電流密度條件下的過電位為37 mV, Tafel斜率低至30 mV/dec,明顯優于商業Pt/C催化劑(20 wt% Pt)。該研究亮點在于:(1)少量Pt元素添加,可在非晶基體表面獲得蜂窩狀Pt75Ni25固溶體納米多孔雙連續結構,為電催化反應提高更多活性位點和接觸面積,促進電荷轉移和電解液滲透;(2)通過小原子Ni引入Pt晶格,在材料表面產生壓應變效應,有效降低氫吸附能,進一步促進析氫;(3)韌性非晶基體賦予復合材料優異的穩定性和機械彎曲柔性,更適于實際應用。

    該工作不僅提出了一種新穎、可靠的制備低成本高效柔性HER催化劑的方法,同時也有助于理解電催化過程中的合金化作用。該工作設計思路可以拓展到其他非晶合金體系,為非晶合金的功能應用提供新的思路。

    相關成果于2019年10月17日在 “Flexible honeycombed nanoporous/glassy hybrid for efficient electrocatalytic hydrogen generation”的研究論文的形式在國際著名材料學術期刊《Advanced Materials》上發表。

    該論文第一作者李睿博士于2018年在我室獲得博士學位,目前在香港理工大學從事博士后研究,我室呂昭平教授、劉雄軍教授以及香港理工大學陳鏡昌教授為該論文的通訊作者。

    該研究獲得了國家自然科學基金、教育部長江學者和創新團隊發展計劃、新金屬材料國家重點實驗室自主課題等項目的資助。

    研究詳見:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201904989。

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