一种高效稳定的高熵合金电催化剂用于析氢反应

• Published in: 催化学报 Vol. 62; no. 7; pp. 156 - 165
• Main Authors: 赵贵, 路宽, 李玉楠, 卢发贵, 高朋, 南兵, 李丽娜, 张熠霄, 徐鹏涛, 刘晰, 陈立桅
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 上海交通大学上海电化学能源器件工程技术研究中心,上海200240%中国科学院山西煤炭化学研究所,煤转化国家重点实验室,山西太原030001%上海高等研究院上海同步辐射光源,上海201204 2024; 上海交通大学变革性分子前沿科学中心,上海200240; 上海交通大学化学化工学院,物质科学原位中心,上海200240
• Subjects: 一步溶剂热法; One-step solvothermal method; 低过电位; High-entropy alloy; Lower overpotential; Hydrogen evolution reaction; 析氢反应; 原位X射线吸收光谱; In situ X-ray absorption spectroscopy; 高熵合金
• ISSN: 0253-9837
• DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60067-7

水分解是一种利用可再生能源驱动的绿色制氢方法,零碳排放特性使其成为解决氢能源生产的重要途径.在电化学水分解中,制备高活性和稳定性的催化剂至关重要.高熵合金(HEAs)由于独特的结构和性能使其成为理想的催化剂材料,其多元成分和可调组成提供了丰富的表面活性位点和灵活的催化特性,有望提高水分解的效率并降低成本.然而,简易高效地制备HEAs仍面临挑战,且目前对HEA催化剂的结构-活性关系的了解存在不足.因此,探索一种简便有效的方法用以制备高性能HEAs催化剂,并深入理解其在水分解反应中的作用机制和结构演变,能够为未来绿色制氢技术的发展提供重要的科学基础和技术支持. 本文采用了电化学测量、Cu K-边和Pt L3-边的原位同步辐射X射线吸收光谱(XAS)测试以及密度泛函理论(DFT)计算相结合的方法,系统地研究了高熵合金电催化剂PtPdRhRuCu/C的析氢反应(HER)活性、反应机制以及结构演变规律.PtPdRhRuCu HEAs纳米颗粒由简便的一步溶剂热法制备,直径约为6.7±0.6 nm,其合金结构和元素分布通过多种表征手段(扫描透射电子显微镜、X射线衍射和能量色散X射线光谱等)得到确认.XAS对Cu K-边和Pt L3-边的分析结果显示,HEAs纳米颗粒表面的少量铜氧化物在HER过程中被还原至金属态.扩展X射线吸收精细结构的拟合结果表明,HEAs在工况HER中保持了金属态和无序的原子排列,没有新的分离相形成.电化学测试结果表明,得益于多金属活性位点,PtP-dRhRuCu/C催化剂在酸性和碱性条件下均表现出较好的HER活性和耐久性.在10 mA cm-2的电流密度下,该催化剂在1 mol L-1 KOH中具有23.3 mV的极低过电位,优于商业Pt/C催化剂(50.3 mV),其质量活性是Pt/C的7.9倍,达到3.0 A mg-1Pt.PtPdRhRuCu的高熵效应显著提升了催化剂在HER中的长期稳定性,在稳定性测试中,PtPdRhRuCu/C催化剂在10000次循环伏安测试后几乎无性能衰减,而Pt/C的过电位增加了约24 mV.在-55 mV过电位下的30 h的HER测试中,PtPdRhRuCu/C保持95.7％的初始电流密度,而Pt/C衰减了53.6％.在酸性条件下,PtPdRhRuCu/C的循环稳定性和耐久性也优于Pt/C.DFT计算结果表明,PtPdRhRuCu/C较好的HER性能和稳定性归因于高熵合金的