Nat. Commun.：超細結構納米多孔金屬間化合物催化劑

【成果簡介】

由非貴重過渡金屬形成的金屬間化合物是一類有前景的低成本高穩定性電化學制氫催化劑。然而，開發具有充足活性位點和優異電催化性能的整體式納米多孔金屬間化合物仍然是一個挑戰。近日，日本東北大學韓久慧助理教授、加藤秀實教授和約翰霍普金斯大學陳明偉教授報道了一種高溫熔融金屬脫合金（liquid metal dealloying，LMD）策略，基于一種新穎的金屬間化合物效應，制備了具有超精細孔結構的納米多孔Mo基金屬間化合物催化劑，具有優異的電催化析氫性能。相關成果以“Ultrafine nanoporous intermetallic catalysts by high-temperature liquid metal dealloying for electrochemical hydrogen production”發表在Nature Communications上。論文第一作者為日本東北大學博士生宋瑞瑞。

【核心發現】

1. 發展了LMD方法制備具有超細孔結構的納米多孔Mo基金屬間化合物。實驗發現伴隨著脫合金過程中納米多孔結構的演化，LMD的高溫條件可以有效克服動力學能壘，從而直接形成有序金屬間化合物相。

2. 所制備的納米多孔μ-Co₇Mo₆和μ-Fe₇Mo₆的特征長度只有~30 nm，與一般認為的LMD高溫條件會得到粗大孔結構（幾百納米到幾微米）的認識有差異。借助分子動力學模擬計算，發現脫合金過程中高溫驅動的原子結構有序化有效降低了原子表面擴散速率，從而顯著抑制了納米多孔結構的熱粗化。

3. 制備的超細納米多孔μ-Co₇Mo₆金屬間化合物，具有大的比表面積，在電化學析氫反應中表現出高的催化活性和耐久性。

【數據概覽】

圖1、納米多孔μ-Co₇Mo₆的設計和LMD制備

圖2、LMD法制備的多種納米多孔金屬間化合物的結構表征

圖3、納米多孔金屬間化合物的特征長度和界面擴散速率的分子動力學模擬

圖4、 LMD過程中納米多孔原子有序結構的演化及動力學能壘示意圖

圖5、粉體形態納米多孔Mo基金屬間化合物的電催化析氫性能

圖6、自支撐形態納米多孔μ-Co7Mo6的電催化析氫性能

【成果啟示】

本研究提出了一種自上而下的高溫LMD策略用于制備三維納米多孔Mo基金屬間化合物催化劑。結合實驗分析和分子動力學模擬發現了一種新穎的“金屬間化合物效應”，即納米多孔結構形成過程中高溫驅動的原子結構有序化可以有效降低原子表面擴散速率，從而抑制納米多孔結構的熱粗化。具有超細多孔結構的納米多孔μ-Co₇Mo₆表現出高的電催化活性和耐久性，適用于大電流的電化學析氫反應應用。該研究揭示的“金屬間化合物效應”有望促進先進納米尺度金屬間化合物催化劑的開發和應用。

參考文獻：Song, R., Han, J., Okugawa, M. et al. Ultrafine nanoporous intermetallic catalysts by high-temperature liquid metal dealloying for electrochemical hydrogen production. Nat Commun 13, 5157 (2022).

DOI：10.1038/s41467-022-32768-1

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32768-1

本文由Mr.No.9供稿