空心三元纳米颗粒：高效析氢，便宜好用 | NSR

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氢气（H2）是最有前途的清洁能源之一，而析氢反应（HER）是最具潜力的产氢方法之一。目前，电催化析氢最好的固体催化剂是贵金属铂（Pt），但其相对稀少、价格昂贵，不适合大规模生产。因此，设计合成高效、稳定、价格低廉的新型催化剂至关重要。 

最近，中国石油大学（北京）李振兴团队使用简单的一锅法，首次合成了3种超小型空心三元合金纳米颗粒：PtNiCu、PtCoCu和CuNiCo。其中，PtNiCu纳米粒子的平均尺寸仅5 nm，只含有10%的Pt，且具有优异的电催化活性和稳定性。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

空心PtNiCu纳米颗粒的(a)TEM图像，(b)高倍率TEM图像（插图为纳米颗粒尺寸分布）， (c)HRTEM图像，(d)能谱分析。(e)XRD图谱。(f) EDX元素映射。

PtNiCu纳米颗粒具有独特的中空结构和较大的比表面积，可以充分暴露表面原子，为HER反应提供丰富的活性中心。在碱性电解液中，空心PtNiCu纳米颗粒在10 mA cm^-2时的超电势低至28 mV，Tafel斜率为52.1 mV dec^-1，其质量活性是商业Pt / C的5.62倍。这有效降低了铂基电催化剂的成本，并保证铂原子被更高效的利用。

空心PtNiCu纳米颗粒，商用Pt/C，空心PtCoCu纳米颗粒，空心PtCu纳米颗粒和Cu纳米颗粒在1.0 M KOH水溶液中的HER极化曲线。 

研究者又使用密度泛函理论（DFT）计算，对成键和反键轨道填充进行分析，结果表明，PtNiCu纳米颗粒的ΔG_H*为0.05 eV，接近于零。在析氢反应(HER)反应过程中，不同金属与氢中间体(H*)的成键强度顺序为Pt>Co>Ni>Cu，空心PtNiCu纳米颗粒优异的HER性能来自于这三种金属与H*之间的适度协同作用。

 （a）在Pt-Ni-Cu，Pt-Co-Cu，Pt-Cu和Cu处于平衡电位时的HER自由能图。H*在（b）Pt-Ni-Cu，（c）Pt-Co-Cu，（d）Pt-Cu和（e）Cu上吸附的电荷密度差。黄色（蓝色）等值面表示电子密度增加（减少）0.01 e /Å^-3。

上述理论计算与实验数据共同表明，这项工作为低成本、高性能HER催化剂的设计和制备提供了一种新的策略。

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