城大研发矿物凝胶及“晶体-非晶”双相纳米铝合金两款新型制氢催化剂

为了解决这个难题，由城大材料科学家共同领导的科研团队开发出一种创新的低成本及节能的方法，用不含贵金属的矿物凝胶纳米片作为前驱体来生产高效析氢的单原子电催化剂。

领导这项研究的城大机械工程学系和材料科学及工程学系讲座教授吕坚教授解释说：“与其他常见的单原子基质前驱体如多孔框架和碳相比，我们发现矿物凝胶在大规模生产电催化剂方面，具有极大的优势，因为它的原料容易获得，合成过程既简单又环保，而且相关化学反应仅需温和的条件。”

论文的第一作者是城大吕富聪博士。通讯作者除了吕教授，还有城大材料科学及工程学系副教授李扬扬博士以及哈尔滨工业大学（深圳）理学院助理教授孙李刚博士。

该研究得到了多个机构的支持，包括“深港科技创新合作区深圳园项目”、国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金以及深圳市科技创新委员会，香港创新科技署亦透过城大国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心作出支持。

此外，吕教授带领的团队最近亦在设计另一款同样低成本、高性能的新型电催化剂作出突破。针对另一种广泛用于析氢反应的铂基催化剂的高成本问题，吕教授与团队透过新型纳米结构合金设计，提供了有效解决方案。

吕教授的团队一直深入研究同时具备晶态（crystalline）与非晶态（amorphous）双相（dual phases）的合金纳米结构，一方面，在晶态合金设计上，多元合金的晶体结构所表现出的局部化学不均匀性、短程有序和严重的晶格畸变，为提高体系的析氢催化性能提供了结构基础；另一方面，非晶合金也展现出了结构优势︰与晶体结构相比，非晶结构具有大量的活性位点，且其发生析氢反应的能垒更低，具有优异的催化活性。因此，如果多主元晶体相与非晶相的结构尺寸达到纳米极限（超纳，<10 nm），超高密度的晶体-非晶界面将提供超高密度活性位点，再基于晶相和非晶两相本身的优势，此“晶体-非晶”双相纳米合金将有潜力获得前所未有的析氢催化活性，为开发新一代高性能析氢催化剂提供了重要的理论基础和指导方向。

于是，团队提出了一种基于热力学的合金和纳米设计策略，根据非晶形成能力（glass formation ability, GFA）首先预判“晶体-非晶”双相形成的成分区间，并结合磁控共溅射（magnetron co-sputtering）的实验方法，制备了一种具有“晶体-非晶”双相纳米（crystal-glass nano-dual-phase）结构的铝基合金催化剂（Al₇₃Mn₇Ru₂₀）。得益于这种独特的双相结构设计，与商用铂碳催化剂及贵金属催化剂相比，这种铝基催化剂在碱性电解液环境中表现出更为优异的析氢催化性能：在10 mA cm^-2的电流密度下其过电位仅为21.1mV。

吕教授说：“这种新型催化剂为铝基合金，选取了贵金属元素中成本相对低廉的钌（ruthenium），与商用铂碳催化剂相比具有明显的成本优势。与此同时，该设计思路与催化机理也适用于其他催化体系，‘晶体-非晶’双相纳米结构的概念将促进新一代高效析氢催化剂的开发。”

 相关成果以〈A crystal-glass nanostructured Al-based electrocatalyst for hydrogen evolution reaction〉为题发表在科学期刊《科学进展》（Science Advances）。曾任城大博士后研究员的刘思达博士（现任山东大学研究员）与城大材料科学及工程学系博士生李弘坤为论文共同第一作者。通讯作者为城大吕坚教授、李扬扬博士及西安交通大学吴戈教授。其他来自城大的研究人员包括：曾于机械工程学系担任博士后的周彬斌博士（现任深圳先进电子材料国家创新研究院副研究员）、材料科学及工程学系博士生钟景及李兰西，以及机械工程学系博士生颜阳。