城大研发两种基于矿物凝胶和结晶非晶双相纳米铝合金的新型制氢催化剂

清洁氢能是化石燃料的良好替代品，对于实现碳中和至关重要。世界各地的研究人员正在寻找提高效率和降低制氢成本的方法，特别是通过改进所涉及的催化剂。最近，香港城市大学(CityU)的研究团队开发出一种新型超稳定析氢反应(HER)电催化剂，该催化剂基于二维矿物凝胶纳米片，不含任何贵金属。该催化剂可以大规模生产，有助于在未来实现更低的氢气价格。

电化学析氢反应(HER)是一种广泛使用的制氢方法。但商业 HER 电催化剂是由贵金属制成的，价格昂贵。另一方面，单原子催化剂由于其高活性、最大化的原子效率和最小化的催化剂用量，在催化 HER 应用中具有广阔的潜力。但传统的单原子催化剂制备工艺复杂。它通常涉及将目标单原子金属引入到衬底前驱体中，然后进行热处理，通常高于 700 ℃，这需要大量的能量和时间。

在这方面，由城大材料科学家共同领导的研究团队开发了一种创新、具有成本效益和节能的方法，以生产一种高效的 HER 单原子电催化剂，该电催化剂使用不含贵金属的矿物水凝胶纳米片作为前体.

“与其他常见的单原子底物前体相比，如多孔骨架和碳，我们发现矿物水凝胶由于原材料容易获得、合成过程简单且环保，以及在大规模生产电催化剂方面具有巨大优势。温和的反应条件。

他们的电催化剂前体是用一种简单的方法制备的。首先，将多金属氧酸盐酸 (PMo) 和铁离子 (Fe 3+ ) 的溶液在室温下混合，形成新型二维铁-磷钼酸纳米片。通过离心去除多余的水后，纳米片变成不含任何有机分子的矿物水凝胶。该过程比以前报道的通常需要高温高压和更长的单原子衬底前体自组装过程更方便和经济。

该矿物凝胶前驱体经过进一步磷化处理(500℃)后，形成单铁原子分散的多相纳米片催化剂(“Fe/SAs@Mo-based-HNSs”)，避免了耗时的制备过程在衬底上加载单个原子。

实验发现，该新型催化剂在 HER 中表现出优异的电催化活性和长期耐久性，在 10 mA cm -2时表现出仅 38.5 mV 的过电位，并且在高达 200 的电流密度下超过 600 小时性能超稳定而没有性能下降。毫安厘米-2。

“这是非贵金属 HER 电催化剂实现的最佳性能之一，”卢教授说。“利用矿物凝胶合成单原子分散多相催化剂的独特思路，为下一步大规模生产廉价高效的催化剂提供了重要的理论基础和方向，从长远来看有助于降低制氢成本。 ”

他们的发现以“二维矿物水凝胶衍生的单原子锚定异质结构用于超稳氢演化”为题发表在科学杂志《自然通讯》上。

该论文的第一作者是城大的吕福聪博士。通讯作者为哈尔滨工业大学理学院卢教授、副教授李阳阳博士和助理教授孙立刚博士。

该研究得到了深港科技创新合作区深圳园项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、科学技术与应用科学基金的支持深圳市创新委员会和香港创新科技署通过城大国家贵金属材料工程研究中心香港分中心。

为解决商用铂基电催化剂成本高的问题，卢教授带领的团队近日又取得突破。他们通过合理的纳米结构合金设计提供了开发低成本、高性能电催化剂的解决方案。

卢教授团队一直在对同时具有晶相和非晶相的合金纳米结构进行深入研究。他们发现纳米晶相中的局部化学不均匀性、短程有序和严重的晶格畸变有利于催化应用，而非晶相可以提供丰富的活性位点和较低的析氢反应能垒。因此，他们致力于研究设计和构建双相合金，使其成为出色的制氢电催化剂。

他们提出了一种基于热力学的新型合金和纳米结构设计策略。首先，他们根据非晶形成能力(GFA)预测了“晶体-非晶”双相形成的成分范围。然后，他们利用简便的磁控管共溅射方法，成功制备了具有“晶-非晶”双相纳米结构的铝基合金催化剂。

由于这种纳米结构，新型催化剂在碱性溶液中表现出比商业铂基电催化剂更好的电催化性能，在 10 mA cm -2时的过电势仅为 28.8 mV 。

“在这种新型铝基合金催化剂中，我们使用比铂便宜的钌作为贵金属成分。因此它可以比商业铂基电催化剂成本更低，”卢教授说。“除了析氢，纳米双相电催化机制还可以应用于其他催化系统。“水晶玻璃”纳米结构设计为开发下一代催化剂提供了一种新方法。”

该研究结果发表在《科学进展》杂志上，题为“一种用于析氢反应的晶体玻璃-纳米结构铝基电催化剂”。原博士后刘思达博士(现任山东大学教授)和硕士研究生李鸿坤先生为共同第一作者。通讯作者为城大卢教授和李博士，以及西安交通大学吴戈教授。城大的其他研究人员包括前MNE博士后周彬彬博士(现任深圳先进电子材料创新研究院副教授)、钟静先生和MSE博士生Li Lanxi女士和MNE博士生Yan Yang先生。