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香港科技大学发现新机制 可提高氢燃料电池中双金属催化剂的活性

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58京牌 ,香港科技大学(HKUST)和厦门大学(Xiamen University)的研究人员揭示,对表面钌原子如何改善铂的析氢和氧化活性的新认识。这一发现打开了新的途径,有助于合理设计更加先进的催化剂,以用于电解槽和燃料电池应用。

(图片来源:香港科技大学)

氢是不含碳的清洁能源载体,在推进可持续社会发展方面,有望扮演重要角色。可以使用可再生能源,通过电解槽中的析氢反应(HER),用水来制氢;并在燃料电池中通过氢氧化反应(HOR)消耗氢来发电。

不幸的是,在碱性介质中,即使使用最活跃的铂催化剂,这两种反应的动力学表现仍然很缓慢。缓慢的反应速率,使这两种电化学装置的效率受到影响,并阻碍其大规模应用。已知可以通过表面改性或与钌形成合金,来提升HER/HOR的铂反应速率。然而,数十年来,这种做法受到争议,部分原因在于对催化剂表面的氢原子行为缺乏直接观察。

为了揭示铂-钌双金属催化剂提升HER/HOR反应速率的谜底,由HKUST化学与生物工程系及能源研究所的Minhua Shao教授领导的研究团队,通过强大的表面增强红外吸收光谱(SEIRAS),直接监控不同表面上重要的反应中间体氢原子的粘结强度。通过综合的电化学、光谱学和理论研究,研究人员证实,与次表面铂相互作用的表面钌原子,比铂的活性高一个数量级,即钌原子是该系统中的主要活性位点,而不是铂原子。

研究人员表示:“以前的工作主要使用传统电化学和表征技术,不能直接监测氢反应中间体的吸附行为。在这项研究中,我们使用了强大的表面增强红外吸收光谱,这是极少数可以直接看到表面氢原子的技术之一。同时,为我们提供了关于钌如何提高活性的更直接的信息。这项工作排除了最普遍的理论,即铂和钌之间界面的双功能效应是活性增加的原因,并为未来设计更加领先的HER/HOR催化剂打开新的方向。不论在水电解槽或氢燃料电池中,都将有助于减少使用贵金属。”

目前,基于这些发现,研究人员正在开发实用的高性能双金属铂-钌电催化剂。

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