Ultrasmå hule legeringsnanopartikler til synergistisk hydrogenudviklingskatalyse

Fordi brintbrændstof har høj energitæthed og ikke forurener miljøet, det har nu vist potentialet til at erstatte fossil energi. Hydrogenudviklingsreaktionen (HER) er en af ​​de mest lovende hydrogenproduktionsmetoder som en halvreaktion af elektrolyse af vand. I øjeblikket, traditionelle Pt-baserede forbindelser bruges som de mest aktive elektrokatalysatorer til hydrogenudviklingsreaktioner. Imidlertid, Pt er relativt sparsomt og dyrt. Derfor, designe og syntetisere meget effektiv, stabil, og billige katalysatorer er et grænseoverskridende emne inden for vandelektrolyse.

For nylig, Zhenxing Li og hans team fra China University of Petroleum (Beijing) har gjort spændende fremskridt i forberedelsen af ​​HER-katalysatorer, ved hjælp af en simpel one-pot-metode til at syntetisere ultrasmå hule ternære legeringsnanopartikler, herunder PtNiCu nanopartikler, PtCoCu nanopartikler og CuNiCo nanopartikler. Under syntese, forskydningsreaktionen og oxidativ ætsning spillede vigtige roller i dannelsen af ​​hule strukturer. Den gennemsnitlige størrelse af PtNiCu nanopartikler er kun 5 nm og indeholder kun 10% Pt. Den unikke hule struktur og store specifikke overfladeareal øger graden af ​​overfladeatomeksponering, give rigelige aktive centre, og få PtNiCu-nanopartikler til at udvise fremragende elektrokatalytisk aktivitet og stabilitet. I alkalisk elektrolyt, overpotentialet af hule PtNiCu nanopartikler ved 10 mA cm ^-2 er så lavt som 28 mV i forhold til RHE med en Tafel-hældning på 52,1 mV dec. ^-1 , hvilket var lavere end for kommercielle Pt/C. Ud over, dens masseaktivitet er 5,62 gange højere end den for kommercielle Pt/C-system. Dette reducerer effektivt omkostningerne ved platinbaserede elektrokatalysatorer og sikrer, at platinatomer bruges mere effektivt.

Ved at analysere den bindende og antibondende orbitalfyldning, density functional theory (DFT) beregningerne viser, at ΔGH* af PtNiCu nanopartikler er 0,05 eV, som er tæt på nul. I hydrogenudviklingsreaktionen (HER) reaktionsprocessen, bindingsstyrken af ​​forskellige metaller til hydrogenmellemproduktet (H*) var i størrelsesordenen Pt> Co> Ni> Cu. Dermed, den fremragende HER-ydelse af hule PtNiCu-nanopartikler kan tilskrives moderat synergistiske interaktioner mellem de tre metaller og H*. Ved at kombinere teoretiske beregninger med eksperimentelle data, dette arbejde giver en ny strategi for design og klargøring af billige og højtydende HER-katalysatorer.