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用于析氢反应的金电极上的金镍合金迈向更清洁的明天

2023-08-11 11:01:03 来源：互联网

【资料图】

近年来，氢气作为清洁绿色未来的燃料已获得发展势头。这种碳中性燃料源通过在氧气存在下燃烧释放大量能量，并副产品水蒸气。最流行的氢气生产方法之一是利用电将水分解为氢气和氧气。

电化学电池用于分解水，并在析氢反应 (HER) 中在带负电的电极上释放氢气。催化剂用于降低 HER 过电势(理论电池电压与析氢所需电压之间的差值)，从而提高该过程的效率。最近，金 (Au) 和镍 (Ni) 的合金表现出良好的 HER 活性。虽然 AuNi 的电化学性质已得到充分研究，但对其表面结构和原子组成知之甚少，而这决定了催化剂的电催化活性。

现在，由千叶大学工学研究生院副教授 Masashi Nakamura 领导、包括理工学研究生院博士生 Syunnosuke Tanaka 和工学研究生院 Nagahiro Hoshi 教授在内的千叶大学研究小组，已经在这一问题上架起了桥梁。对 AuNi 电催化剂的理解存在差距。在 2023 年 6 月 28 日发表在 ChemElectroChem 上的突破性文章中，该团队研究了在单晶金电极上不同合金化温度下制备的 AuNi 表面合金的表面结构、原子排列和 HER 活性。

中村博士讨论了当前研究背后的动机。“铂等稀有且昂贵的金属通常用作水电解的催化剂。虽然与铂相比，金作为催化剂表现出较高的化学稳定性，但其 HER 活性较低。现在，AuNi 纳米颗粒已成为一种有前途的非铂替代品，进一步提高其 HER 活性至关重要。”

研究小组将 AuNi/Au 电极转移到装有 0.05 M 硫酸的电化学电池中，进行循环伏安图 (CV) 和线性扫描伏安图 (LSV) 测量，评估其 HER 活性。还使用 X 射线光电子能谱 (XPS) 和表面 X 射线衍射 (SXRD) 技术分析了 AuNi/Au 催化剂的表面性质。

CVs和LSVs表明AuNi/Au的HER活性取决于Au基底的表面结构，(110)表面活性最高，其次是(111)和(100)表面。此外，表面合金通过镍脱合金提高了 HER 活性。这通过 XPS 和 SXRD 得到了验证，其中团队观察到由于 Ni 从表面合金层中溶解而导致表面最上层的原子占有率下降。Ni 脱合金过程在表面产生了缺陷，并且与 Ni 相邻的低配位 Au 位点激活了 HER。

本研究提供了对 AuNi 表面合金的结构和电化学特性的深入了解，为实际电解和燃料电池应用的高活性和耐用的金基催化剂铺平了道路。“设计有效的非铂电催化剂可以降低水电解的成本，并提高其能量转换效率，这对于加速迈向氢驱动社会至关重要，”中村博士总结道。

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