吉大Adv. Funct. Mater.: Al7Cu4Ni@Cu4Ni核壳结构纳米晶用于高效催化析氢反应

【引言】

H₂是一种清洁、可持续的能量载体，可以通过水的分解获得，然后氧化成水释放能量，因此H₂和H₂O之间的相互转化有望成为一种最为环境友好的能量储运过程。水分解产生H₂的过程是析氢反应(HER)，需要非常高效的催化材料进行快速的电子和物质传递。Pt及其合金是目前活性最高的HER催化剂，但是其昂贵的价格和很低的元素丰度严重限制了其大规模应用。因此，开发新型的非贵金属纳米催化剂具有十分重要的意义。

【成果简介】

近日，吉林大学郎兴友、蒋青教授(共同通讯作者)等人在Adv. Funct. Mater.发表了题为“Nonprecious Intermetallic Al₇Cu₄Ni Nanocrystals Seamlessly Integrated in Freestanding Bimodal Nanoporous Copper for Efficient Hydrogen Evolution Catalysis”的研究论文，报道了Cu-Ni-Al纳米晶催化HER的最新研究成果。研究团队通过简单的化学去合金方法制备了具有3D双模式纳米孔结构的自支撑Cu-Ni-Al复合电极，电极由高活性的Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni核壳结构纳米晶无缝集成在具有优异导电性的双模式纳米多孔Cu骨架上组成(Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni)。Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni是HER电催化的高活性位点，而纳米多孔Cu骨架的韧带和孔道分别提供了电子输运和离子传递通道，在碱性环境下表现出了非常优秀的HER电催化性能，在10 mA cm^-2的电流密度下过电位仅为139 mV。Cu-Ni-Al复合电催化剂在碱性环境下表现出了高度稳定的电催化性能，是Pt基催化剂非常有潜力的替代者。

【图文导读】

图1 纳米多孔复合催化剂Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni的微观结构

(a)Bi-NP Cu₁₂Ni₁Al_2.6复合电极截面的SEM图；

(b)具有微米和纳米孔道双模式纳米结构的Bi-NP Cu₁₂Ni₁Al_2.6催化剂的SEM俯视图；

(c)Cu₄Ni合金和Al₇Cu₄Ni金属间化合物晶体结构的原子示意图。蓝、灰和洋红的小球分别代表Cu、Ni和Al原子；

(d)Bi-NP Cu₁₂Ni₁Al_2.6催化剂的HRTEM图。

图2 结构演变和元素分析

(a)Si-NP Cu(下)和Cu₁₂Ni₁Al_2.6(上)的XRD谱图；

(b)Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni复合电催化电极的比表面积与Ni/Cu比例的关系。插图分别为Si-NP Cu(下)、Bi-NP Cu₁₂Ni₁Al_2.6(左上)、Cu₉Ni₁Al_3.6(中上)和Cu₆Ni₁Al_4.2(右上)的SEM图。

图3 0.1 M KOH电解液中复合电催化电极的HER活性

(a)Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni(含Cu₁₂Ni₁Al_2.6组份)、Si-NP Cu和Pt/C电催化剂的极化曲线。Pt/C和纳米多孔催化剂的扫描速率分别为 5 mV s^-1和1 mV s^-1；

(b)Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni、Si-NP Cu和Pt/C电催化剂在10和40 mA cm^-2时的过电位；

(c) Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni、Si-NP Cu和Pt/C电催化剂的Tafel曲线；

(d)0.1 M KOH中Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni和Si-NP Cu的经iR校正(实线)和未经iR校正(虚线)的极化曲线。

图4 不同成分和比表面积的Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni的电催化性能

(a)具有不同Cu₁₂Ni₁Al_2.6、Cu₉Ni₁Al_3.6和Cu₆Ni₁Al_4.2成分的Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni电催化剂的HER极化曲线；

(b)40 mA cm^-2时Bi-NP Cu/Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni电催化剂的过电位与比表面积的关系；

(c)在10 mA cm^-2的电流密度下对Bi-NP Cu₁₂Ni₁Al_2.6、Cu₉Ni₁Al_3.6和Cu₆Ni₁Al_4.2长期稳定性的测试。 

【小结】

本文报道了一种具有3D双模式纳米多孔结构的自支撑Cu-Ni-Al三元复合电催化材料，由锚定在Cu骨架上的Al₇Cu₄Ni@Cu₄Ni核壳结构纳米晶组成，能够在碱性环境下高效催化析氢反应而且具有优异的稳定性。Cu-Ni-Al三元催化优异的性能主要是Ni组分加入的结果，有望替代目前昂贵的Pt基催化剂。

文献链接：Nonprecious Intermetallic Al₇Cu₄Ni Nanocrystals Seamlessly Integrated in Freestanding Bimodal Nanoporous Copper for Efficient Hydrogen Evolution Catalysis (Adv. Funct. Mater., 2018，DOI: 10.1002/adfm.201706127)

感谢郎兴友教授对本文的斧正及材料人编辑部的指导！

本文由材料人编辑部纳米学术组Roay供稿，材料牛编辑整理。

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