基于理性設(shè)計開發(fā)高本征活性Pd-B析氫反應(yīng)催化劑
? ? ? ?水裂解過程中的從質(zhì)子到氫氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)（析氫反應(yīng)，HER，2H++2e-→H2），是獲取清潔氫能的重要手段，因此該反應(yīng)被認(rèn)為是向清潔能源社會發(fā)展的重要化學(xué)反應(yīng)。然而，該反應(yīng)通常需要以鉑（Pt）為基礎(chǔ)的材料作為催化劑，催化劑成本高、長期穩(wěn)定性不足，很大程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。
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? ? ? ?近期，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系劉智攀課題組和同濟大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院韋廣豐課題組基于量子力學(xué)理論研究預(yù)測，發(fā)展了一種簡單的溶劑熱法合成的碳負載Pd2B納米片。實驗表明該Pd2B納米片具有超低的HER過電位，在10 mA/cm2電流密度下過電位僅為15.3 mV，Tafel斜率為22.5 mV/Dec，交換電流密度（j0）達到2.84 mA/cm2。實驗還表明該金屬硼化物在酸性條件下具有創(chuàng)記錄的高本征活性，比商業(yè)化的Pt/C催化劑高約2倍，并且在反應(yīng)條件下具有很高的穩(wěn)定性。該研究成果以“Metal Boride Better Than Pt: HCP Pd2B as Superactive Hydrogen Evolution Reaction Catalyst”為題在線發(fā)表于能源和環(huán)境領(lǐng)域頂級期刊《Energy & Environmental Science》（DOI: 10.1039/C9EE01564G）。
? ? ? ?研究人員提出了通過溶劑熱合成Pd2B晶體的新方法，并進一步證明了其在強酸性條件下的超高活性和高穩(wěn)定性。通過理論計算，研究人員詳細分析了從金屬Pd到金屬硼化物Pd2B的逐級結(jié)構(gòu)演變過程，表明從Pd的面心立方堆積（fcc）結(jié)構(gòu)到六方密堆積（hcp）結(jié)構(gòu)的逐層相變對B插入動力學(xué)是至關(guān)重要的。理論計算進一步表明，hcp晶格形成后的次表面B和晶格膨脹對提升催化劑的本征活性起著關(guān)鍵作用。根據(jù)理論預(yù)測，由于Pd2B晶體是Pd-B合金各組分中熱力學(xué)最穩(wěn)定的體相結(jié)構(gòu)，實驗合成的成功開啟了該穩(wěn)定相作為活性催化劑，特別是加氫催化反應(yīng)的可能性?？紤]到高合金化過渡金屬硼化物中Pd2B的超電勢低于鉑，因此在苛刻（如還原性、酸性）條件下，高合金化的過渡金屬硼化物有望成為一類高耐久性、高活性的催化劑。該工作為進一步探索這類穩(wěn)定的金屬硼化物材料的催化性能鋪平了道路。
? ? ? ?該研究工作得到了國家重點研究開發(fā)計劃（2018YFA0208600）、國家自然科學(xué)基金（21533001, 91745201, 21603165、21573149）、上海市青年科技英才揚帆計劃（16YF1412300）等項目的資助。論文的第一作者為復(fù)旦大學(xué)陳林，韋廣豐老師與劉智攀教授為該論文的共同通訊作者。
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