鉑基合金的三叉星納米結構：調控電催化劑性能的新思路

科技 03-31

眾所周知，氫能具有非常高的能量密度和極低的環境污染，對於潔凈能源的利用開發是至關重要的。電催化析氫反應（HER）是在陰極表面的析氫過程，可以在可逆氫燃料電池等技術中發揮重要的產氫功能，因而成為一種廣受關注的清潔可再生能源技術。制約該技術發展及應用的關鍵瓶頸是如何實現低成本、高效能電催化劑的設計與開發。

過渡金屬（特別是貴金屬基材料）具有很高的電催化活性，一直是相關研究的熱點材料。儘管近年來過渡金屬硫屬化合物等材料獲得了飛速發展，金屬鉑依然是該系列反應中最具電催化活性和性能穩定性的材料。美中不足的是，金屬鉑具有較高材料成本的不足，促使人們一直在尋找降低金屬鉑用量的方法。因此，從提升性能和降低成本的雙重角度來看，鉑基催化劑的設計與研發都具有重要意義。長期以來的研究工作表明，提高材料電催化活性的關鍵在於表面結構和電子結構的調控。然而，如何同步調控該兩個參數是相關材料設計與製備的重大挑戰。

中國科學技術大學熊宇傑研究團隊基於無機精準製備化學，設計和開發出了一系列化學組分可調且具有三叉星狀的三元合金PtFeCo納米結構，為多角度系統研究電催化析氫反應中的構效關係提供了絕佳平台。該系列PtFeCo三叉星納米結構在減少貴金屬Pt用量的情況下，獲得了顯著增強的電催化HER活性。其中Pt81Fe28Co10三叉星納米結構在 -400 mV電壓下的電流密度高達1325 mA cm-2，是商用鉑炭催化劑的4倍以上，遠優於其他同源鉑基催化劑。與此同時，該催化劑的穩定性與其他鉑基催化劑相比，也得到進一步改善。

在該研究中，研究人員不僅實現了鉑基納米合金晶格中Fe和Co原子比例的精準調控，而且構築了具有高催化活性的三叉星狀結構。系統研究表明，該納米合金中電子結構和表面結構的同步優化，對電催化HER性能的提升起到了至關重要的作用。其合作者江俊課題組通過理論模擬計算，揭示了合金晶格中Co原子的引入可以誘導產生原子間電荷極化，調控原子電子密度，同時調製了金屬Pt原子位點的d-帶中心，有利於提高催化位點的活性。基於該認識，研究人員建立了合金化學組成與電催化HER性能之間的構效關係。

該三元合金PtFeCo三叉星狀納米結構的構築，從實驗和理論層面上系統清晰地闡釋了基於元素組成、電子結構和表面結構三位一體的協同調控機制，為低成本、高性能合金催化劑的理性設計與構築開闢了新的路徑。該研究提出的晶格工程思路，將拓展人們對電能-化學轉化中電子運動「微觀引擎」的控制能力，對原子精度上的電催化劑設計具有推動作用。相關研究結果發表在Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201504785）上。

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