2024年07月19日 星期五
2024年07月19日 星期五

Au电极上用于析氢反应的AuNi合金:走向更清洁的明天

2023/8/23 16:43:172767

千叶大学研究人员表明,由于 Ni 脱合金化形成的表面缺陷,AuNi/Au 电催化剂的析氢反应活性增加。

1.jpg

AuNi/Au催化剂的析氢反应活性通过Ni脱合金得到增强,并且取决于Au基底的表面结构,(110)表面导致最高活性,其次是(111)和(100)。

—Masashi Nakamura 来自千叶大学(Chiba University)。

近年来,氢气作为清洁和绿色未来的燃料势头强劲。这种碳中性燃料源通过在氧气存在的情况下燃烧释放出大量的能量,副产品是水蒸气。最流行的制氢方法之一是用电将水分解成氢和氧。

电化学电池用于分解水,并在析氢反应 (HER) 中在带负电的电极上释放氢气。催化剂用于降低 HER 过电势(理论电池电压与析氢所需电压之间的差值),从而提高该过程的效率。最近,金 (Au) 和镍 (Ni) 的合金表现出良好的 HER 活性。虽然 AuNi 的电化学性质已得到充分研究,但对其表面结构和原子组成知之甚少,而这决定了催化剂的电催化活性。

现在,千叶大学的一个研究小组,由工程研究生院的副教授Masashi Nakamura领导,包括科学与工程研究生院的博士生Syunnosuke Tanaka和工程研究生院的Nagahiro Hoshi教授,已经弥合了对AuNi电催化剂理解的差距。在他们最近于2023年6月28日发表在《ChemElectroChem》上的突破性文章中,研究小组研究了在单晶Au电极上不同合金温度下制备的AuNi表面合金的表面结构、原子排列和HER活性。

Nakamura博士讨论了当前研究背后的动机。“稀有和昂贵的金属,如铂,通常用作水电解的催化剂。虽然与铂相比,金作为催化剂具有较高的化学稳定性,但其HER活性较低。现在,AuNi纳米颗粒已经成为一种很有前途的非铂替代品,进一步提高其HER活性至关重要。”

究小组将AuNi/Au电极转移到含有0.05 M硫酸的电化学电池中,进行循环伏安(CV)和线性扫描伏安(LSV)测量,评估其HER活性。采用x射线光电子能谱(XPS)和表面X射线衍射(SXRD)技术分析了AuNi/Au催化剂的表面性质。

CVs和LSVs结果表明,AuNi/Au的HER活性与Au衬底的表面结构有关,其中(110)表面的HER活性最高,其次是(111)和(100)。表面合金通过Ni合金化提高了HER活性。XPS和SXRD证实了这一点,研究小组观察到,由于Ni从表面合金层中溶解,表面最上层的原子占用率下降。Ni合金化过程在表面产生缺陷,靠近Ni的低配位Au激活了HER。

本研究提供了对AuNi表面合金结构和电化学性能的深入了解,为在电解和燃料电池中应用高活性和耐用的Au基催化剂铺平了道路。Nakamura博士总结道:“设计有效的非铂电催化剂可以降低水电解的成本,也可以提高其能量转换效率,这对于加速向氢驱动社会发展至关重要。”


文章链接:Tanaka S, Hoshi N, Nakamura M. Hydrogen Evolution Reaction on AuNi Surface Alloy Formed on Single Crystal Au Electrodes[J]. ChemElectroChem, 2023: e202300095. DOI: https://doi.org/10.1002/celc.202300095