超小空心合金納米粒子協同增氫催化

由于氫燃料具有高能量密度并且不會污染環境，因此它現在顯示出替代化石能源的潛力。作為電解水的半反應，析氫反應(HER)是最有前途的制氫方法之一。當前，傳統的基于Pt的化合物被用作用于氫釋放反應的最具活性的電催化劑。但是，Pt相對稀缺且昂貴。因此，設計和合成高效，穩定和廉價的催化劑是水電解領域的前沿課題。

最近，中國石油大學(北京)的李振興及其團隊在HER催化劑的制備方面取得了令人興奮的進展，該方法使用簡單的一鍋法合成超小型中空三元合金納米粒子包括PtNiCu納米顆粒，PtCoCu納米顆粒和CuNiCo納米顆粒。在合成過程中，置換反應和氧化蝕刻在空心結構的形成中起著重要作用。PtNiCu納米粒子的平均尺寸僅為5 nm，僅包含10%的Pt。獨特的中空結構和大的比表面積增加了表面原子的暴露程度，提供了豐富的活性中心，并使PtNiCu納米粒子表現出出色的電催化活性和穩定性。在堿性電解質中，中空的PtNiCu納米粒子在10 mA cm -2時的超電勢低至28 mV，而RHE的Tafel斜率為52.1 mV dec -1，低于商業Pt / C。此外，它的質量活性是商業Pt / C系統的質量活性的5.62倍。這有效地降低了鉑基電催化劑的成本，并確保了鉑原子的使用效率更高。

通過分析鍵合和反鍵合的軌道填充，密度泛函理論(DFT)計算表明，PtNiCu納米粒子的ΔGH*為0.05 eV，接近于零。在放氫反應(HER)反應過程中，不同金屬與氫中間體(H *)的鍵合強度順序為Pt> Co> Ni> Cu。因此，中空PtNiCu納米粒子的優異HER性能可歸因于三種金屬與H *之間的適度協同相互作用。將理論計算與實驗數據相結合，這項工作為低成本和高性能HER催化劑的設計和制備提供了新的策略。