中國科大開發出鉑基合金三叉星納米材料

　　氫能是一種廣受關注的清潔可再生能源技術。制約該技術發展的瓶頸是如何實現低成本、高效能電催化劑的設計與開發。針對該瓶頸，中國科學技術大學教授熊宇杰課題組設計和開發出一系列化學組分可調且具有三叉星狀的三元合金PtFeCo納米結構，在降低貴金屬鉑用量的同時，獲得了顯著增強的電催化析氫反應活性。該研究成果近日發表在《先進材料》（Advanced Materials 2016, 28, 2077）上，并被Wiley旗下中文學術新聞網站Materials Views China報道。論文的共同第一作者為博士生杜娜娜、高級工程師王成名和博士生王翕君。

　　研究表明，提高材料電催化活性的關鍵在于表面結構和電子結構的調控。但如何同步調控這兩個參數，是相關材料設計與制備的重大挑戰。近年來，熊宇杰課題組針對催化劑設計發展了一類界面電荷極化作用機制，基于原子精度可控的界面形成方法，可以通過界面維度控制來調變活性位點的數目及活性程度（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14650； Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53,12120； Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 14810）。在該工作中，研究人員進一步將作用機制推廣到合金體系中的原子間電荷極化，用于調控Pt催化位點的電子密度，從而獲得可調變的電子結構。他們首先合成了一系列三元合金PtFeCo納米結構，不僅實現了鉑基納米合金晶格中Fe和Co原子比例的精準調控，而且構筑了具有高催化活性的三叉星狀結構，為多角度系統研究電催化析氫反應中的構效關系提供了絕佳平臺。該系統研究表明，納米合金中電子結構和表面結構的同步優化，對電催化HER性能的提升起到了至關重要的作用。其合作者江俊課題組通過理論模擬計算，揭示了合金晶格中Co原子的引入可以誘導產生原子間電荷極化，調控原子電子密度，同時調制了金屬Pt原子位點的d-帶中心，有利于提高催化位點的活性。基于該認識，研究人員建立了合金化學組成與電催化HER性能之間的構效關系。

　　基于該構效關系，研究人員獲得了一種Pt81Fe28Co10三叉星納米結構，在-400mV電壓下的電流密度高達1325mA cm-2，是商用鉑炭催化劑的4倍以上，遠優于其他同源鉑基催化劑。與此同時，該催化劑的穩定性與其他鉑基催化劑相比，也得到進一步改善。該三元合金PtFeCo三叉星狀納米結構的構筑，從實驗和理論層面上系統清晰地闡釋了基于元素組成、電子結構和表面結構三位一體的協同調控機制，為低成本、高性能合金催化劑的理性設計與構筑開辟了新的路徑。該研究提出的晶格工程思路，將拓展人們對電能-化學轉化中電子運動“微觀引擎”的控制能力，對原子精度上的電催化劑設計具有推動作用。

　　該研究工作得到了科技部“973”計劃、國家自然科學基金、國家青年千人計劃、中科院百人計劃、合肥大科學中心精進用戶基金、中國科大重要方向項目培育基金等項目的資助。

　　開發出的三元合金PtFeCo三叉星納米結構及其性能