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超小型空心三元合金高效析氢:小颗粒大作用

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IMAGE: 空心PtNiCu纳米颗粒的(a) TEM图像,(b)高倍率TEM图像(插图为纳米颗粒尺寸分布), (c)HRTEM图像,(d)能谱分析。(e) XRD图谱。(f) EDX元素映射。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

在能源需求日益增加的今天,易于储存、能量密度高且对环境友好的氢气(H2),被认为是最有前途的清洁能源。析氢反应(HER)作为电解水的半反应,是最具发展潜力的产氢方法之一。目前,电催化析氢最好的固体催化剂是贵金属铂(Pt)。然而,Pt相对稀少,价格昂贵,不适合大规模生产。因此,设计合成高效,稳定,价格低廉的催化剂成为电化学产氢规模化应用的关键。

最近中国石油大学(北京)李振兴团队报道,使用简单的一锅法首次合成了超小型空心三元合金纳米颗粒PtNiCu。PtNiCu纳米粒子的平均尺寸仅5 nm,只含有10%的Pt。其独特的中空结构和较大的比表面积,增加表面原子暴露的程度,提供了丰富的活性中心,使PtNiCu纳米颗粒表现出优异的电催化活性和稳定性。与RHE相比,在碱性电解液中,空心PtNiCu纳米颗粒在10 mA cm-2时的超电势低至28 mV,相当于Tafel斜率为52.1 mV dec-1,其质量活性是商业Pt / C的5.62倍。这有效降低了铂基电催化剂的成本,保证铂原子被更高效的利用。

通过对成键和反键轨道填充的分析,密度泛函理论(DFT)计算表明,PtNiCu纳米颗粒的ΔGH*为0.05 eV,接近于零。在析氢反应(HER)反应过程中,不同金属与氢中间体(H*)的成键强度顺序为Pt>Co>Ni>Cu,空心PtNiCu纳米颗粒优异的HER性能来自于这三种金属与H*之间的适度协同作用。将理论计算与实验数据相结合,这项工作为低成本、高性能HER催化剂的设计和制备提供了一种新的策略。

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文章信息:
Ultra-small hollow ternary alloy nanoparticles for efficient hydrogen evolution reaction
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa204

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