En lavpris, højtydende multinær intermetallisk forbindelse som en aktiv elektrokatalysator til brintproduktion

At udnytte brint som en ren energikilde for fremtiden, forskere har stræbt efter at udvikle nye processer til at producere brint effektivt og omkostningseffektivt. Et team bestående af forskere, der specialiserer sig i strukturmaterialer ved City University of Hong Kong (CityU) har udviklet en højtydende elektrokatalysator baseret på et innovativt koncept, der oprindeligt var til udvikling af legeringer. Den nye elektrokatalysator kan fremstilles i stor skala og lave omkostninger, at give et nyt paradigme i den brede anvendelse af brintproduktion ved elektrokemisk reaktion i fremtiden.

Forskningen blev ledet af professor Lu Jian, CityU's næstformand (forskning og teknologi) og professor i maskinteknik, og professor Liu Chain-tsuan, universitets anerkendt professor ved College of Engineering. Resultaterne blev offentliggjort i Avancerede materialer med titlen "A Novel Multinary Intermetallic as an Active Electrocatalyst for Hydrogen Evolution."

Når det forbruges i en brændselscelle, brint producerer kun vand uden generering af kuldioxid. Derfor, det betragtes almindeligvis som en ideel ren kilde til at tackle problemerne med drivhusgasser og energimangel. Sammenlignet med andre metoder til brintproduktion, elektrokemisk vandspaltning er en relativt miljøvenlig proces med stort potentiale til industrielle anvendelser. Imidlertid, de fleste nuværende elektrokatalysatorer er ædelmetalbaserede, såsom platin og palladium. Deres høje omkostninger og knaphed hæmmer i høj grad udviklingen og anvendelsen af ​​denne brintproduktionsmetode.

tidligere, Professor Liu udviklede en innovativ legeringsdesignstrategi til fremstilling af intermetalliske forbindelser med høj entropi. Denne strategi overvinder afvejningsdilemmaet mellem styrke og duktilitet i traditionelle metalliske materialer ved at indføre høj tæthed af nanopartikler af multi-komponent intermetalliske forbindelser på nanoskala. Resultaterne blev offentliggjort i Videnskab . Da de højentropi intermetalliske forbindelser har velordnede atomstrukturer og kemiske synergistiske funktioner takket være dets mange komponenter, som begge fremmer den elektrokatalytiske ydeevne, den nye legeringsdesignstrategi giver også indsigt i udvikling af nye elektrokatalysatorer.

Professor Lius team samarbejdede med Prof Lus gruppe af eksperter i ædelmetalforskning og udviklede en ny højentropi intermetallisk (HEI) elektrokatalysator ved at vedtage legeringsdesignstrategien. Den nye elektrokatalysator består hovedsageligt af fem metalelementer:jern, kobolt, nikkel, aluminium og titanium. Det har også en velordnet atomstruktur. Gennem en simpel, et-trins kemisk metode, holdet producerede en dendritlignende porøs struktur, som i høj grad øgede overfladearealet for elektrokemiske aktiviteter og dermed forbedrede den elektrokemiske ydeevne betydeligt.

High-entropy legeringer (HEA) er nye legeringer lavet af fire eller flere metalelementer, med god mekanisk, fysisk, kemiske og andre egenskaber. Da det indeholder forskellige elementer, de synergistiske funktioner mellem de forskellige kemiske elementer giver mange veje til at optimere den katalytiske ydeevne. Imidlertid, de konventionelle HEA'er har uordnet atomfordeling i deres faste opløsning, så det er svært effektivt at ændre den elektroniske struktur og aktive steder for endelig at fremme den elektrokemiske reaktion.

På den anden side, intermetalliske forbindelser er en type metallisk legering dannet af metalliske elementer, eller af metalliske grundstoffer med et eller flere ikke-metalliske grundstoffer, hvis krystallinske struktur adskiller sig fra de øvrige bestanddeles. Da de multinære metalatomer er ensartet fordelt i dens velordnede intermetalliske struktur, det muliggør en specifik stedisolationseffekt. Og dens elektroniske struktur er meget justerbar. Så det betragtes som en lovende katalysator. Imidlertid, det meste af den nuværende forskning om intermetalliske elektrokatalysatorer fokuserer på binære legeringer, som ikke har de synergistiske funktioner blandt de multinære metalelementer.

Derfor, dette forskningsresultat er faktisk resultatet af at kombinere fordelene ved højentropi-legeringer (synergistiske virkninger blandt multinære metalelementer) og intermetalliske forbindelser (iboende strukturel stedisolationseffekt og velafstemt elektronisk struktur).

Ved at bruge atomopløsnings scanningstransmissionselektronmikroskopi (Cs-korrigeret) og 3-D-atomsondetomografi i eksperimenter, holdet karakteriserede atomstrukturen af ​​HEI elektrokatalysator. Med yderligere teoretiske beregninger, de beviste, at de synergistiske virkninger og den velordnede atomstruktur effektivt optimerer den elektroniske struktur, og dermed fremme den elektrokemiske vandspaltningsproces.

På grund af dets unikke bestanddele og struktur, denne HEI-katalysator udfører fremragende hydrogenudviklingsreaktion i alkalisk elektrolytopløsning.

"Vores unikke strategi til at producere HEI afslører et nyt paradigme for at udvikle en ny elektrokatalysator med overlegne reaktionsaktiviteter til at spalte vand og producere brint, " sagde professor Liu.

"Den metode, som vi brugte til at forberede højskolen, har allerede været meget brugt i industriel produktion. Da vi bruger de billigere metaller som råmateriale, vi tror på, at denne nye elektrokatalysator vil have lovende anvendelsespotentiale i industriel produktion af brint, " tilføjede professor Lu.