氫氣（H2）是最有前途的清潔能源之一，而析氫反應(yīng)（HER）是最具潛力的產(chǎn)氫方法之一。目前，電催化析氫最好的固體催化劑是貴金屬鉑（Pt），但其相對(duì)稀少、價(jià)格昂貴，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。因此，設(shè)計(jì)合成高效、穩(wěn)定、價(jià)格低廉的新型催化劑至關(guān)重要。

最近，中國(guó)石油大學(xué)（北京）李振興團(tuán)隊(duì)使用簡(jiǎn)單的一鍋法，首次合成了3種超小型空心三元合金納米顆粒：PtNiCu、PtCoCu和CuNiCo。其中，PtNiCu納米粒子的平均尺寸僅5 nm，只含有10%的Pt，且具有優(yōu)異的電催化活性和穩(wěn)定性。相關(guān)成果發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR）。

空心PtNiCu納米顆粒的(a)TEM圖像，(b)高倍率TEM圖像（插圖為納米顆粒尺寸分布）， (c)HRTEM圖像，(d)能譜分析。(e)XRD圖譜。(f) EDX元素映射。

PtNiCu納米顆粒具有獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，可以充分暴露表面原子，為HER反應(yīng)提供豐富的活性中心。在堿性電解液中，空心PtNiCu納米顆粒在10 mA cm-2時(shí)的超電勢(shì)低至28 mV，Tafel斜率為52.1 mV dec-1，其質(zhì)量活性是商業(yè)Pt / C的5.62倍。這有效降低了鉑基電催化劑的成本，并保證鉑原子被更高效的利用。

空心PtNiCu納米顆粒，商用Pt/C，空心PtCoCu納米顆粒，空心PtCu納米顆粒和Cu納米顆粒在1.0 M KOH水溶液中的HER極化曲線。

研究者又使用密度泛函理論（DFT）計(jì)算，對(duì)成鍵和反鍵軌道填充進(jìn)行分析，結(jié)果表明，PtNiCu納米顆粒的ΔGH*為0.05 eV，接近于零。在析氫反應(yīng)(HER)反應(yīng)過(guò)程中，不同金屬與氫中間體(H*)的成鍵強(qiáng)度順序?yàn)镻t>Co>Ni>Cu，空心PtNiCu納米顆粒優(yōu)異的HER性能來(lái)自于這三種金屬與H*之間的適度協(xié)同作用。

（a）在Pt-Ni-Cu，Pt-Co-Cu，Pt-Cu和Cu處于平衡電位時(shí)的HER自由能圖。H*在（b）Pt-Ni-Cu，（c）Pt-Co-Cu，（d）Pt-Cu和（e）Cu上吸附的電荷密度差。黃色（藍(lán)色）等值面表示電子密度增加（減少）0.01 e /?-3。

上述理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共同表明，這項(xiàng)工作為低成本、高性能HER催化劑的設(shè)計(jì)和制備提供了一種新的策略。

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：空心三元納米顆粒：高效析氫，便宜好用 | NSR

文章出處：【微信公眾號(hào)：知社學(xué)術(shù)圈】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。