氫能被視為未來潔凈能源的出路之一，科學(xué)家們因而各出奇謀，研發(fā)高效而又成本低的制氫方法。香港城市大學(xué)（香港城大）一支擅於研究結(jié)構(gòu)材料的團(tuán)隊(duì)，近日便利用創(chuàng)新的合金設(shè)計(jì)理念，制備了一種廉價(jià)丶可大規(guī)模工業(yè)化地生產(chǎn)的高性能合金催化劑，有助推動(dòng)以電化學(xué)制氫的廣泛應(yīng)用。

科學(xué)家們因而各出奇謀，研發(fā)高效而又成本低的制氫方法。香港城市大學(xué)（香港城大）一支擅于研究結(jié)構(gòu)材料的團(tuán)隊(duì)，近日便利用創(chuàng)新的合金設(shè)計(jì)理念，制備了一種廉價(jià)、可大規(guī)模工業(yè)化地生產(chǎn)的高性能合金催化劑，有助推動(dòng)以電化學(xué)制氫的廣泛應(yīng)用。

有關(guān)研究由香港城大副校長(zhǎng)（研究及科技）兼機(jī)械工程學(xué)講座教授呂堅(jiān)教授和工學(xué)院大學(xué)杰出教授劉錦川教授共同帶領(lǐng)，研究結(jié)果早前于國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上，以〈A Novel Multinary Intermetallic as an Active Electrocatalyst for Hydrogen Evolution〉為題發(fā)表。

以氫作為能源的過程中只產(chǎn)生水，不像化石燃料般產(chǎn)生二氧化碳，因而被視為解決溫室氣體和能源短缺的有效手段。其中，以電化學(xué)分解水來制氫，過程相對(duì)環(huán)保，應(yīng)用潛力大。不過，現(xiàn)時(shí)的催化劑多以貴金屬制成，如鉑（platinum）、鈀 （Palladium），成本高昂，因而窒礙了電化學(xué)制氫的技術(shù)發(fā)展。

劉錦川教授的團(tuán)隊(duì)早前首次提出了高熵金屬間化合物（high-entropy intermetallic）的合金設(shè)計(jì)理念，通過在納米尺度下引入高密度的多組元金屬間化合物（intermetallic compounds）納米顆粒，成功克服了傳統(tǒng)金屬材料里，強(qiáng)度與延展性不可兼得的瓶頸問題，成果于頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。由于高熵金屬間化合物兼具獨(dú)特的有序原子結(jié)構(gòu)和含有多種金屬元素，因而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，這合金設(shè)計(jì)新策略也為開發(fā)新型高性能的催化劑帶來了啟示。

采用合金設(shè)計(jì)理念制備合金催化劑

這次專門研究貴金屬的呂堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)與劉錦川教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)手，采用上述創(chuàng)新的合金設(shè)計(jì)理念，制備出一種高熵金屬間化合物（high-entropy intermetallic, HEI）合金催化劑。這合金催化劑包含鐵、鈷、鎳、鋁和鈦這五種主要金屬成份，且具有明確的原子周期排列結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)通過簡(jiǎn)單、一步到位的多組元復(fù)式合金，制備出擁有微細(xì)枝晶形貌的多孔結(jié)構(gòu)，大大提高了催化劑的電化學(xué)反應(yīng)活性位點(diǎn)，使電化學(xué)反應(yīng)更高效。

 

所謂高熵合金（high-entropy alloys, HEAs），一般是指由四種或以上的金屬元素制成的新型合金材料，具有良好的機(jī)械、物理、化學(xué)等性能。同時(shí)，由于它含有的元素種類多，多組元金屬間產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，因此催化性能優(yōu)異，只是礙于傳統(tǒng)高熵固溶體合金的內(nèi)部原子排列無序，導(dǎo)致難以在原子尺度下對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和活性位點(diǎn)進(jìn)行調(diào)控，以促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)。

另一方面，金屬間化合物 （intermetallic compounds） 即金屬與金屬、或金屬與非金屬形成的一種多組元合金組成物，其晶格結(jié)構(gòu)有別于原來組成成分的晶格。由于其有序的原子結(jié)構(gòu)促使活性位點(diǎn)分離，而且電子結(jié)構(gòu)可被調(diào)控，被視為有潛力的催化劑。然而，目前針對(duì)金屬間化合物催化劑的研究大多集中于二元合金，并沒有多組元金屬之間的協(xié)同催化作用。

因此，這次研究成果，正是把高熵固溶體合金多組元化學(xué)協(xié)同的優(yōu)點(diǎn)，與金屬間化合物結(jié)構(gòu)位點(diǎn)分離的優(yōu)勢(shì)，兩相結(jié)合。

結(jié)合高熵固溶體合金與金屬間化合物的優(yōu)勢(shì)

團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合原子級(jí)球差電子顯微鏡和三維原子探針，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了多組元結(jié)構(gòu)中的原子排序，并通過進(jìn)一步理論計(jì)算得出，正是這種多元金屬原子之間的協(xié)同作用和獨(dú)特的金屬間化合物的有序的原子構(gòu)型，能夠更有效地優(yōu)化這合金材料的電子結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化電解水析氫過程中的能量勢(shì)壘。

由于這種合金具有獨(dú)特的成份和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這高熵金屬間化合物催化劑在堿性電解液中，表現(xiàn)出良好的析氫活性。

 

劉錦川教授說︰“我們這種制備高熵金屬間化合物的獨(dú)特策略，成功開拓了一種新方法，去制備電化學(xué)反應(yīng)活性高的催化劑來分解水，產(chǎn)生氫氣。”

呂堅(jiān)教授說︰“這次研究里，制備高熵金屬間化合物的物理冶金方法，其實(shí)已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，加上選用了成本較低的金屬作為主要原材料，因此我們相信，這種催化劑將為下一步工業(yè)化電化學(xué)制氫，帶來了廣闊的應(yīng)用前景。”

論文的第一作者是香港城大的賈喆博士、博士后研究員楊濤博士和畢業(yè)生孫李剛博士（現(xiàn)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)任職），來自香港城大的其他合作者包括︰材料科學(xué)講座教授黃志青教授、核子工程講座教授開執(zhí)中教授、博士后研究員趙怡潞博士、三維原子探針聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室高級(jí)副研究員欒軍華博士、材料科學(xué)及工程學(xué)系博士生李萬鵬和機(jī)械工程學(xué)系博士生呂富聰。

 

 

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