Электрохимическая реакция выделения водорода (HER) является широко используемым методом получения водорода. Но коммерческие ЕЕ электрокатализаторы изготавливаются из драгоценных металлов, которые стоят дорого. С другой стороны, одноатомные катализаторы обладают многообещающим потенциалом в области каталитического синтеза из-за их высокой активности, максимальной атомной эффективности и минимального использования катализатора. Но обычный процесс изготовления одноатомных катализаторов сложен. Обычно это включает введение целевого одноатомного металла в предшественник подложки с последующей термической обработкой, обычно выше 700 ℃, что требует много энергии и времени.

В связи с этим исследовательская группа, совместно возглавляемая учеными-материаловедами CityU, разработала инновационный, экономичный и энергоэффективный способ производства высокоэффективного одноатомного электрокатализатора HER, в котором в качестве предшественника используются минеральные гидрогелевые нанолистки, не содержащие драгоценных металлов.

"По сравнению с другими распространенными предшественниками одноатомных субстратов, такими как пористые каркасы и углерод, мы обнаружили, что минеральные гидрогели имеют большие преимущества для массового производства электрокатализаторов благодаря легкодоступности сырья, простой и безвредной для окружающей среды процедуре синтеза и мягким условиям реакции", - сказал профессор Лу Цзянь, Профессор кафедры машиностроения (MNE) и кафедры материаловедения и инженерии (MSE) в CityU, который руководил исследованием.

Их предшественник электрокатализатора получают простым способом. Во-первых, растворы полиоксометалатной кислоты (PMo) и ионов железа (Fe³⁺) смешиваются при комнатной температуре, в результате чего получаются новые двумерные нанолистки железа-фосфомолибдиновой кислоты. После удаления избытка воды центрифугированием нанолистовые материалы превращаются в минеральный гидрогель, свободный от каких-либо органических молекул. Этот способ намного более удобен и экономичен, чем описанные ранее способы, которые обычно требуют высокой температуры и давления, а также более длительного времени для самосборки одноатомных предшественников субстрата.

После дальнейшей фосфатирующей обработки (при 500 ℃) этого предшественника минерального геля образуется гетерогенный нанолистовой катализатор, диспергированный с одним атомом железа ("Fe / SAs @ Mo-based-HNSs"), что позволяет избежать трудоемкого процесса изготовления, связанного с загрузкой отдельных атомов на подложку.

Эксперименты показали, что новый катализатор проявляет превосходную электрокаталитическую активность и длительный срок службы в HER, проявляя перенапряжение всего 38,5 мВ при 10 мА см⁻², и сверхстабильность без ухудшения производительности в течение 600 часов при плотности тока до 200 мА см⁻².

"Это одна из лучших характеристик, достигнутых электрокатализаторами HER, не содержащими благородных металлов", - сказал профессор Лу. "Уникальная идея использования минерального геля для синтеза одноатомных дисперсных гетерогенных катализаторов обеспечивает важную теоретическую основу и направление для следующего этапа масштабируемого производства дешевых и эффективных катализаторов, которые могут способствовать снижению стоимости производства водорода в долгосрочной перспективе".

Их выводы были опубликованы в научном журнале Сообщения о природе под названием "Двумерные гетероструктуры с одиночными атомами, полученные из минерального гидрогеля, для ультрастабильного выделения водорода".

Первым автором статьи является доктор Люй Фуконг из СитьЮ. Авторами-корреспондентами являются профессор Лу, д-р Ли Янъян, доцент MSE, и д-р Сунь Лиган, доцент школы естественных наук Харбинского технологического института.

Исследование было поддержано проектом Шэньчжэнь-Гонконгской зоны научно-технического инновационного сотрудничества Shenzhen Park Project, Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая, Национальным фондом естественных наук Китая, Гуандунским фондом фундаментальных и прикладных исследований, Комиссией по науке, технологиям и инновациям муниципалитета Шэньчжэня и Комиссия по инновациям и технологиям Гонконга через Гонконгский филиал Национального исследовательского центра материаловедения драгоценных металлов в СитьЮ.

Чтобы решить проблему высокой стоимости коммерческих электрокатализаторов на основе платины, команда, возглавляемая профессором Лу, недавно совершила еще один прорыв. Они предложили решение с помощью рационального дизайна наноструктурированного сплава для разработки недорогого и высокопроизводительного электрокатализатора.

Команда профессора Лу проводила углубленные исследования наноструктур сплавов, которые одновременно имеют как кристаллическую, так и аморфную фазы. Они обнаружили, что локальная химическая неоднородность, ближний порядок и сильное искажение решетки в нанокристаллической фазе желательны для применения в катализе, в то время как аморфная фаза может предложить множество активных центров с более низким энергетическим барьером для реакции выделения водорода. Поэтому они посвятили свои исследовательские усилия разработке и изготовлению двухфазных сплавов, которые стали бы отличными электрокатализаторами для производства водорода.

Они предложили новую стратегию проектирования сплавов и наноструктур, основанную на термодинамике. Во-первых, они предсказали диапазон состава двухфазного образования "кристалл-аморфный" в соответствии со способностью к аморфному образованию (GFA). Затем, используя простой метод магнетронного совместного распыления, они успешно приготовили катализатор из сплава на основе алюминия с "кристаллически-аморфной" двухфазной наноструктурой.

Благодаря этой наноструктуре новый катализатор показал лучшие электрокаталитические характеристики в щелочном растворе, чем коммерческий электрокатализатор на основе платины, с перенапряжением всего 28,8 мВ при 10 мА см^-2.

"В этом новом катализаторе из сплава на основе алюминия мы используем рутений, который дешевле платины, в качестве компонента благородного металла. Таким образом, это может быть дешевле, чем коммерческие электрокатализаторы на основе платины", - сказал профессор Лу. "И помимо выделения водорода, механизм нано-двухфазного электрокатализа может быть применен к другим каталитическим системам. Конструкция наноструктуры "кристалл-стекло" предлагает новый подход к разработке катализаторов следующего поколения".

Результаты были опубликованы в Научные достижения, под названием "Электрокатализатор на основе кристаллического стекла и наноструктурированного Алюминия для реакции выделения водорода". Доктор Лю Сида, бывший постдокторант (в настоящее время профессор Шаньдунского университета), и г-н Ли Хункун, аспирант MSE, являются соавторами. Авторами-корреспондентами являются профессор Лу и доктор Ли из СитьЮ, а также профессор Ву Гэ из Сианьского университета Цзяотон. Среди других исследователей из CityU - доктор Чжоу Бинбинь, бывший постдок МНЭ (в настоящее время доцент-исследователь Шэньчжэньского национального института передовых инноваций в области электронных материалов), г-н Чжун Цзин и мисс Ли Ланси, оба аспиранты MSE, и г-н Янь Ян, аспирант МНЭ.