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多元金属间化合物可作为活性氢催化剂

为了利用氢气作为未来清洁能源，科学家们一直致力于开发新的方法来高效和成本有效地生产氢气 。在香港大学城（CITYU）专门研究结构材料的科学家组成的一个小组开发了一种基于创新概念的高性能电催化剂，其最初用于开发合金 。新型电催化剂可大规模生产，成本低廉，为今后电化学反应制氢的广泛应用提供了新的范例 。
研究背景这项研究是由Lu Jian教授，CITYU的副总裁（研究和技术）和机械工程讲座教授，Liu Chain tsuan教授，工程学院的著名教授 。研究结果发表在先进材料标题是“一种新型的金属间化合物作为一种活性氢催化剂 。”
【多元金属间化合物可作为活性氢催化剂】当在燃料电池中消耗时，氢只生产没有任何一代二氧化碳的水 。因此，它被认为是解决温室气体和能源短缺问题的理想清洁源 。与其他制氢方法相比，电化学水分解是一种相对环保的工艺，具有很强的工业应用潜力 。然而，大多数电流电催化剂是贵金属基的，例如铂和钯 。他们高成本稀有性极大地阻碍了该制氢方法的发展和应用 。
早些时候，刘教授开发了一种创新的合金设计策略，用于制造高熵金属间化合物 。这种策略克服了传统的金属材料的强度和延展性之间的权衡困境，通过在纳米尺度上引入高密度的多组分金属间化合物纳米颗粒 。研究结果发表在科学由于高熵金属间化合物其多组分具有良好的有序原子结构和化学协同作用，两者都促进了电催化性能，新的合金设计策略也为开发新型电催化剂提供了线索 。
刘教授的团队与鲁教授的贵金属研究专家合作，采用合金设计策略开发了一种新型的高熵金属间化合物（HEI）电催化剂 。新型电催化剂主要由铁、钴、镍、铝、钛五种金属元素组成 。它也有一个有序的原子结构 。通过简单、一步的化学方法，团队产生了一种树枝状多孔结构，大大增加了电化学活性的表面积，从而显著提高了电化学性能 。
方法与结论高熵合金（HEAs）是由四种或多种金属元素制成的新合金，具有良好的机械、物理、化学等性能 。由于它含有多种元素，不同化学元素之间的协同作用为优化催化性能提供了许多途径 。然而，传统的HEAS在其固溶体中的原子分布紊乱，难以有效地改变电子结构和活性位点，从而最终促进电化学反应 。
另一方面，金属间化合物是由金属元素形成的一种金属合金，或由具有一种或多种非金属元素的金属元素构成的金属合金，其晶体结构不同于其它成分 。由于多金属原子在其有序的金属间结构中均匀分布，因此能够实现特定的场隔离效应 。
它的电子结构是高度可调谐的 。因此被认为是一种很有前途的催化剂 。然而，目前对金属间化合物电催化剂的研究大多集中在二元合金上，二元合金在多元金属元素之间没有协同作用 。
因此，这一研究结果实际上是结合了高熵合金（多金属元素间的协同效应）和金属间化合物（固有结构场隔离效应和良好调谐的电子结构）的优点的结果 。
通过使用原子分辨率扫描透射电子显微镜（CS校正）和3-D原子探针层析实验，团队表征了HEI电催化剂的原子结构 。通过进一步的理论计算，证明了协同效应和有序的协同作用 。原子结构有效地优化了电子结构，从而促进了电化学水分离过程 。
由于其独特的组成和结构，该HEI催化剂在碱性电解质溶液中表现出优异的析氢反应 。
刘教授说：“我们独特的生产HEI的策略揭示了一种新的模式，用于开发具有优良的反应活性的新型电催化剂，用于分离水和制氢 。”
“我们用于制备HEI的方法已经广泛应用于工业生产中 。因为我们使用便宜的金属做原料，所以我们相信这部小说 。电催化剂将在氢的工业生产中具有潜在的应用潜力，“卢教授补充说 。
文章来源：phys.org

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