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寧波材料所在多組元析氫催化劑的高通量篩選方法方面取得重要進展
作者:,日期:2022-03-16

  磁性催化劑在電催化析氫和析氧方面具有重要應用前景。尤其是在堿性電解質中,含Ni、Co、Fe等磁性元素的催化劑表現出優異的催化活性、穩定性和價格優勢。中國科學院寧波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團隊,前期以Al-Ni-Co-Mn-Y-Au非晶合金為前驅體,通過去合金化方法,研制出具有高活性的Ni-Co-Mn-Y-Au納米多孔析氫催化劑,電催化活性達到70mV @10mA/cm2,塔菲爾斜率為39mV/dec[J. Mater. Chem. A 8, 3246 (2020)];進一步通過成分調控,制備出納米晶/非晶復合前驅體,去合金化制備的Ni-Co-Mn-Y-Au納米多孔催化劑性能達到24 mV @10mA/cm2,塔菲爾斜率為43 mV/dec[J. Alloys Compounds 880, 160548 (2021)]。然而,這類磁性催化劑往往包含多種元素,如果按照每個元素成分變化1%,對于三元成分則存在106種可能成分,如果每天可以篩選10個成分,大約需要105天才可能完全確定最優化的催化劑成分,這幾乎是不可能完成的任務。因此,亟需發展多組元催化劑的快速制備和篩選方法。

  最近,在中科院寧波材料所非晶合金磁電功能特性團隊王軍強研究員和霍軍濤研究員的指導下,劉烜志和鄒鵬等提出一種高通量快速篩選優異催化劑的方法。他們使用多靶磁控濺射方法制備出具有一定成分梯度的Ni-Co-Ti和Ni-Fe-Au三元合金薄膜,并提出利用氣泡高通量并行篩選方法,篩選出具有高濃度氣泡(反應活性)的催化劑成分。在3-5天內可以在巨大的成分空間范圍內,快速篩選出具有高本征催化活性的三元催化劑材料,整體篩選效率比傳統試錯式方法提高了10000多倍。該方法具有廣泛的適用性,不但適用于篩選析氫催化劑,也可以用于篩選析氧催化劑;不僅可以用于三元合金,通過調整靶材和濺射參數,可以實現更多組元催化劑的快速篩選,對提高催化材料的開發速度和效率有著至關重要的意義。該工作以“Combinatorial High-throughput Methods for Designing Hydrogen Evolution Reaction Catalysts”為題發表在國際知名期刊ACS Catalysis 12, 3789 (2022)上,并申請了發明專利(專利號202110477593.0)。

  以上工作成果得到國家重點研發計劃(2018YFA0703604、2018YFA0703602),國家自然科學基金(52071327、52001319、51922102、92163108),中科院青促會(2019296), 浙江省自然科學基金(LR22E010004, 2022C01023), 寧波市2025科技創新項目(2019B10051)等項目的資助。

高通量合金薄膜制備和高通量并行氣泡篩選方法示意圖和NiCoTi三元催化劑結果

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