氫氣具有極高的比能量，燃燒產(chǎn)物只有水，因此被視為清潔能源載體。電解水，即將水電解生成氫氣和氧氣，是一種清潔的產(chǎn)氫方式。為了促進(jìn)電解水析氫反應(yīng)（2H+ + 2e- → H2）的進(jìn)行，在較低的過電位下實(shí)現(xiàn)較高的反應(yīng)速率，常需要使用高效的催化劑。在酸性條件下，Pt和Ir等鉑系金屬是最有效的析氫反應(yīng)催化劑。為了更有效地使用Pt和Ir等鉑系金屬，人們提出了兩種主要的策略：1、降低貴金屬催化材料的維度以提高比表面積；2、將貴金屬與非貴金屬元素制成合金以減少貴金屬的用量。雖然將這兩種策略結(jié)合起來更有希望獲得活性更高、貴金屬使用量更低的催化材料，但以非貴金屬元素為主的合金催化劑很可能在酸性條件下因腐蝕而導(dǎo)致穩(wěn)定性不足。

非晶合金（又稱金屬玻璃）是一類新型的多組元合金材料，具有獨(dú)特的無序原子結(jié)構(gòu)。與原子處于平衡位置的晶體材料不同，亞穩(wěn)態(tài)的非晶合金表現(xiàn)出許多優(yōu)異的力學(xué)和物理化學(xué)特性，吸引了材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心柳延輝、汪衛(wèi)華團(tuán)隊(duì)近期在非晶合金領(lǐng)域引入材料基因工程理念，發(fā)展了獨(dú)特的高通量實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了非晶合金新材料的高效探索，成功研制出Ir-Ni-Ta高溫非晶合金新材料體系[Nature, 99, 569 （2019）]。這一新材料體系除了表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，也蘊(yùn)含著豐富的、仍待探索的功能特性。例如，Ir-Ni-Ta非晶合金具有強(qiáng)耐蝕的特點(diǎn)，可在王水中浸泡數(shù)月而不被腐蝕。結(jié)合Ir元素的催化活性，這一材料體系有望解決以非貴金屬為主的合金催化劑在酸性條件下穩(wěn)定性不足的問題。

最近，該團(tuán)隊(duì)開展了Ir-Ni-Ta非晶合金催化性能的研究，該團(tuán)隊(duì)博士生王子鑒在研究員柳延輝、汪衛(wèi)華和西南石油大學(xué)副教授葛性波的共同指導(dǎo)下，通過離子束濺射沉積方法制備了Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜，測試了Ir-Ni-Ta這一新材料體系在酸性條件下的析氫反應(yīng)本證催化活性和穩(wěn)定性。

Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的厚度為15 nm，貴金屬Ir的負(fù)載量約為8.14 μg cm-2。值得指出的是，該薄膜的表面呈現(xiàn)出接近原子級別的平整度，這對于評價(jià)材料的本證催化活性極為重要。在0.5 M H2SO4環(huán)境下，該Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜僅需99 mV的過電位即可驅(qū)動(dòng)10 mA cm-2的電流密度。雖然這一數(shù)值高于同樣條件下的Pt（46 mV）和Ir（59 mV）薄膜的過電位，卻遠(yuǎn)低于如CoP（202 mV）等磷化物薄膜的過電位。Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的塔菲爾斜率為35 mV dec-1，與Pt（28 mV dec-1）和Ir（30 mV dec-1）薄膜的相近。在1000次循環(huán)伏安掃描后，Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的催化活性并未發(fā)生變化；在10 mA cm-2的恒定電流密度下檢測過電位的變化，經(jīng)過10小時(shí)的測試，其過電位的增加僅為50 mV。與之相比，Pt和Ir薄膜在10小時(shí)測試后過電位的增加則分別高達(dá)250和200 mV。這說明Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜具有比Pt和Ir更高的催化穩(wěn)定性。

和已報(bào)道的非晶合金催化劑相比，Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜兼具較低的過電位和塔菲爾斜率。尤為重要的是，其催化活性并非來源于復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)或高的貴金屬負(fù)載量，而是本證性能。計(jì)算表明，Ir25Ni33Ta42非晶合金在單位時(shí)間單個(gè)活性位點(diǎn)上生成的氫氣分子的數(shù)目要遠(yuǎn)高于過渡金屬硫化物和磷化物，并且可以和其他含貴金屬的催化劑相媲美。Ir25Ni33Ta42非晶合金的優(yōu)異催化性能主要?dú)w因于其合金體系和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)工作不僅為析氫反應(yīng)催化材料提供了一個(gè)新體系，還有助于設(shè)計(jì)開發(fā)用于其他異相催化反應(yīng)的多元合金。

該研究工作得到國家杰出青年科學(xué)基金（51825104）、中科院百人計(jì)劃、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃（QYZDY-SSW-JSC017）、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB30000000）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0703601）以及國家自然科學(xué)基金（11790291， 61888102）等的支持。

相關(guān)研究成果最近在線發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201906384?af=R

圖1. Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的制備和表征

圖2. Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜的析氫反應(yīng)催化活性和穩(wěn)定性

圖3. Ir25Ni33Ta42非晶合金薄膜與其他材料的析氫反應(yīng)催化性能比較