西工大、北科大AFM: 非晶合金催化剂设计新策略：表面活性位点工程助力低贵金属金属玻璃合金催化剂水电解

第一作者：张雅楠

通信作者：李睿*，刘雄军*

单位：西北工业大学，北京科技大学

人们普遍认为Ir和Pt分别对促进阳极析氧反应（OER）和阴极析氢反应（HER）非常有效，但是它们的价格昂贵且储量有限，而过渡金属氧化物/氢氧化物等非贵金属材料也缺乏必要的活性和稳定性。因此，开发高效、稳定、低成本的电催化剂仍然是电解水制氢技术大规模应用的重大挑战。非晶合金的均匀结构和可调组分为通过基于物理冶金的合金化设计高效电解水催化剂提供了一条有前途的途径。受这些研究结果的启发，人们越来越期待通过合理的成分设计和非晶合金结构调控，开发出高效和低贵金属用量的新型电解水催化材料。

针对上述问题，西北工业大学李睿副教授，北京科技大学刘雄军教授等人采用一种简单的合金化和表面工程方法来创建表面贵金属活性位点富集的非晶复合催化结构，旨在实现传统贵金属基电解水催化剂的效益和成本之间的平衡。这种方法为开发具有卓越性能和成本效益的先进电解水催化剂提供了一种简单且通用的途径。相关研究结果以“Surface Active-Site Engineering of Low-Noble-Metal-Alloyed Metallic Glass Catalyst for Boosting Water Electrolysis”为题发表在了Advanced Functional Materials上。

将少量 Ir 和 Pt（≤1 at.%）合金化到Ni-Nb 非晶合金体系中，并通过简单的脱合金工艺在非晶衬底上制造具有富 Ir 和Pt蜂窝状纳米孔特性的独特催化剂结构，其表面原子构型从亚稳态（无定形）转变为相对稳定的态（结晶态），最终形成富含Ir和Pt的自组装纳米晶活性结构。

Ir和Pt共合金化导致晶格收缩，引入大量的压缩应变效应，改变催化剂的电子结构。这种应变可以在催化剂和反应物之间产生理想的吸附强度，从而与单个金属相比提高电催化性能。具体来说，亲氧Ir原子的加入有利于增强*H吸附和降低Pt─H键能；同时，合金化的Pt原子还可以减小Ir活性位点的表面d波段中心，减轻催化剂表面与吸附中间体之间的相互作用，这将降低水电解过程的反应能垒。

该催化剂表面多级纳米孔隙率提供了丰富的催化活性位点和高接触面积，作为双功能催化剂，其在碱性条件下表现出出色的HER和OER性能，分别以19和223 mV的低过电位实现10 mA cm^-2的电流密度。值得注意的是，该催化剂的质量活性分别是商用Pt/C和Ir/C催化剂的13.9倍和16.5倍。此外，该催化剂表现出优异的稳定性，即使在安培级电流密度（≥1 A cm⁻²）下，活性衰减也可以忽略不计。由自支撑催化电极提供动力的整体水电解在10 mA cm^-2 时仅需1.51 V的电池电压，并在0.5 A cm ⁻²下表现出超过300小时的稳定性。

该研究提出了一种新颖、便捷、有效的用于改善非晶合金催化剂水电解性能的方法，通过表面活性位点工程，在非晶合金催化剂中轻松开发了富含多种贵金属的表面活性结构。作者相信，使用极少量贵金属设计这种具有高催化活性的表面纳米结构，可以很容易地扩展到其他非晶合金或多组分合金体系。

李睿副教授

李睿，西北工业大学副教授，博士生导师，主要从事多主元复杂合金的设计、研发及其功能特性研究，探索非晶合金、高熵合金、纳米晶合金等亚稳态合金以及三维纳米多孔金属在清洁能源储存及转换领域的应用。相关研究成果在Advanced Materials，Nature Communications，Advanced Science等期刊发表论文30余篇，授权国家发明专利8件。

刘雄军研究员

刘雄军，北京科技大学新金属材料国家重点实验室研究员，博士生导师，国家重大人才工程入选者。主要从事非晶合金、高熵合金和无序合金能源材料等前沿金属材料结构与性能的多尺度计算模拟与合金设计研究工作。在Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Physical Review Letters和Acta Materialia等国际学术期刊上发表SCI论文190余篇，被引用12500余次；授权国家发明专利40余件；获国家自然科学二等奖2项、教育部自然科学一等奖和二等奖各1项。