高效析氢反应电催化材料：自支撑的三维纳米多孔Cu/Cu5Zr金属间化合物团簇复合电极材料|吉林大学郎兴友与蒋青团队新进展

吉林大学郎兴友与蒋青团队报道了Cu₅Zr金属间化合物团簇锚定于多级纳米多孔Cu基底的复合电极材料在碱性析氢反应中表现出优良的催化性能，相关成果以“Intermetallic Cu₅Zr Clusters Anchored on Hierarchical Nanoporous Copper as Efficient Catalysts for Hydrogen Evolution Reaction”为题发表在Research上（Research, 2020, 2987234, DOI: 10.34133/2020/2987234）。

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研究背景

温室气体的过度排放导致了全球气候变化和环境污染日益严重，发展高效的能量存储/转化技术推动太阳能、风能等绿色能源资源的广泛使用迫在眉睫。氢气是一种可再生的高密度能量载体，通过水循环实现清洁无污染、高效的能量存储/释放，最有希望取代化石燃料用于日常生活的各个领域。由太阳能、风能等绿色资源产生的电能驱动电催化水分解制氢是存储和有效利用太阳能、风能的重要途径。其中，析氢反应（HER）是电催化水分解反应中至关重要的半反应，但其缓慢动力学（尤其是在碱性电解液中）限制着电解池的工作效率。研发价格低廉、且兼具高比表面积与高本征活性的活性位、拥有电子输运和离子传输能力的、结构坚实的析氢电极材料是改善水电解池工作效率、推广其应用的关键。

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研究进展

近日，吉林大学的郎兴友和蒋青（共同通讯）团队结合密度泛函理论（DFT）计算和实验表征，揭示了有序结构的Cu₅Zr金属间化合物通过羟基化的表面Zr原子调节合适的氢吸附能可以有效地激活其邻近的Cu-Cu桥位析氢催化活性。基于此原理，团队设计并制备了一体化自支撑的双模式纳米多孔Cu/Cu₅Zr金属间化合物团簇的析氢催化复合电极材料。

DFT计算表明：Cu₅Zr(111)表面的Zr原子容易吸附HO*，羟基化的Zr原子能有效调节附近的Cu-Cu桥的H吸附能（-0.36 eV），有利于反应中间产物的吸/脱附，加速析氢反应动力学，从而表现出更高催化活性（图1）。

图1  Cu₅Zr金属间化合物的DFT计算

郎兴友和蒋青团队发展了可规模化合成的合金化/脱合金化方法，制备了自支撑的、一体化的双模式纳米多孔Cu/Cu₅Zr复合电极材料。一方面、Cu₅Zr金属间化合物团簇作为催化活性位点具有高的本征活性；另一方面、互通的双模式孔结构利用大孔道方便电解液的传输，纳米小孔有利于提高比表面积、让更多的活性位点与电解液接触，同时互连的Cu韧带有利于电子输运，满足电催化析氢反应的必要条件（图2）。

图2  纳米多孔Cu/Cu₅Zr催化材料的微观结构和化学成分表征

该复合电极材料在1 M KOH电解质中具有30 mV的起始过电位和较低的68 mV dec^-1的塔菲尔斜率，达到100 mA cm^-2和500 mA cm^-2的电流密度时仅需155 mV和280 mV的过电位。此外，长时间的循环伏安法或恒电流法稳定性测试表明该复合电极材料具有优异的稳定性（图3）。

图3  碱性溶液中纳米多孔Cu/Cu₅Zr催化材料析氢反应的电化学性能

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未来展望

本工作设计和制备了具有优良性能的自支撑的双模式纳米多孔Cu/Cu₅Zr金属间化合物团簇的析氢催化复合电极材料，为开发低成本、高性能的商用催化剂提供了新方向。DFT计算考虑了真实电解质环境的影响，羟基化的Zr原子能调节附近Cu-Cu桥位的H吸附能，拓宽了合理计算金属表面吸附能的思路。

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作者简介

郎兴友博士现任吉林大学材料科学与工程学院教授，曾获国家自然科学基金优秀青年基金，入选国家"万人计划"青年拔尖人才和教育部"长江学者奖励计划"青年学者，主要从事纳米多孔金属材料的合成方法及其先进功能应用开发等研究，在Nature Nanotechnol., Nature Mater., Nature Commun.等国际著名学术期刊上发表论文80余篇，获授权中国国家发明专利4件、美国和日本专利各1件。

往期回顾

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《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料研、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了93人的国内外各占50%、具有国际影响力的编委会，主编(中国)为西北工业大学常务副校长、中科院院士黄维，主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS、CSCD、DOAJ、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。

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