吉大Adv. Funct. Mater.: Al7Cu4Ni@Cu4Ni核殼結構納米晶用于高效催化析氫反應

【引言】

H₂是一種清潔、可持續的能量載體，可以通過水的分解獲得，然后氧化成水釋放能量，因此H₂和H₂O之間的相互轉化有望成為一種最為環境友好的能量儲運過程。水分解產生H₂的過程是析氫反應(HER)，需要非常高效的催化材料進行快速的電子和物質傳遞。Pt及其合金是目前活性最高的HER催化劑，但是其昂貴的價格和很低的元素豐度嚴重限制了其大規模應用。因此，開發新型的非貴金屬納米催化劑具有十分重要的意義。

【成果簡介】

近日，吉林大學郎興友、蔣青教授(共同通訊作者)等人在Adv. Funct. Mater.發表了題為“Nonprecious Intermetallic Al₇Cu₄Ni Nanocrystals Seamlessly Integrated in Freestanding Bimodal Nanoporous Copper for Efficient Hydrogen Evolution Catalysis”的研究論文，報道了Cu-Ni-Al納米晶催化HER的最新研究成果。研究團隊通過簡單的化學去合金方法制備了具有3D雙模式納米孔結構的自支撐Cu-Ni-Al復合電極，電極由高活性的Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni核殼結構納米晶無縫集成在具有優異導電性的雙模式納米多孔Cu骨架上組成(Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni)。Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni是HER電催化的高活性位點，而納米多孔Cu骨架的韌帶和孔道分別提供了電子輸運和離子傳遞通道，在堿性環境下表現出了非常優秀的HER電催化性能，在10 mA cm^-2的電流密度下過電位僅為139 mV。Cu-Ni-Al復合電催化劑在堿性環境下表現出了高度穩定的電催化性能，是Pt基催化劑非常有潛力的替代者。

【圖文導讀】

圖1 納米多孔復合催化劑Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni的微觀結構

(a)Bi-NP Cu₁₂Ni₁Al_2.6復合電極截面的SEM圖；

(b)具有微米和納米孔道雙模式納米結構的Bi-NP Cu₁₂Ni₁Al_2.6催化劑的SEM俯視圖；

(c)Cu₄Ni合金和Al₇Cu₄Ni金屬間化合物晶體結構的原子示意圖。藍、灰和洋紅的小球分別代表Cu、Ni和Al原子；

(d)Bi-NP Cu₁₂Ni₁Al_2.6催化劑的HRTEM圖。

圖2 結構演變和元素分析

(a)Si-NP Cu(下)和Cu₁₂Ni₁Al_2.6(上)的XRD譜圖；

(b)Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni復合電催化電極的比表面積與Ni/Cu比例的關系。插圖分別為Si-NP Cu(下)、Bi-NP Cu₁₂Ni₁Al_2.6(左上)、Cu₉Ni₁Al_3.6(中上)和Cu₆Ni₁Al_4.2(右上)的SEM圖。

圖3 0.1 M KOH電解液中復合電催化電極的HER活性

(a)Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni(含Cu₁₂Ni₁Al_2.6組份)、Si-NP Cu和Pt/C電催化劑的極化曲線。Pt/C和納米多孔催化劑的掃描速率分別為 5 mV s^-1和1 mV s^-1；

(b)Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni、Si-NP Cu和Pt/C電催化劑在10和40 mA cm^-2時的過電位；

(c) Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni、Si-NP Cu和Pt/C電催化劑的Tafel曲線；

(d)0.1 M KOH中Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni和Si-NP Cu的經iR校正(實線)和未經iR校正(虛線)的極化曲線。

圖4 不同成分和比表面積的Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni的電催化性能

(a)具有不同Cu₁₂Ni₁Al_2.6、Cu₉Ni₁Al_3.6和Cu₆Ni₁Al_4.2成分的Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni電催化劑的HER極化曲線；

(b)40 mA cm^-2時Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni電催化劑的過電位與比表面積的關系；

(c)在10 mA cm^-2的電流密度下對Bi-NP Cu₁₂Ni₁Al_2.6、Cu₉Ni₁Al_3.6和Cu₆Ni₁Al_4.2長期穩定性的測試。?

【小結】

本文報道了一種具有3D雙模式納米多孔結構的自支撐Cu-Ni-Al三元復合電催化材料，由錨定在Cu骨架上的Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni核殼結構納米晶組成，能夠在堿性環境下高效催化析氫反應而且具有優異的穩定性。Cu-Ni-Al三元催化優異的性能主要是Ni組分加入的結果，有望替代目前昂貴的Pt基催化劑。

文獻鏈接：Nonprecious Intermetallic Al₇Cu₄Ni Nanocrystals Seamlessly Integrated in Freestanding Bimodal Nanoporous Copper for Efficient Hydrogen Evolution Catalysis (Adv. Funct. Mater., 2018，DOI:?10.1002/adfm.201706127)

感謝郎興友教授對本文的斧正及材料人編輯部的指導！

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

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