수소 진화 반응을 위한 Ni@Pd-Pt 촉매 연구

수소 진화 반응을 위한 Ni@Pd-Pt 촉매 연구

전기 화학적 수소 진화 반응 (HER)을 촉진하기위한 저렴하고 매우 견고한 나노 촉매 (NC)의 개발은 몇 가지 새로운 지속 가능한 에너지 기술의 구현을 강화합니다. 여기서 우리는 산성 (0.5 M H2SO4) 및 알칼리성 (0.1 M KOH) 매체에서 Ni@Pd-Pt NC는 2 wt. % Pt 함량을 가진 "자체 정렬"이종 핵 형성 결정 성장 메커니즘을 통해 카본 블랙 지지체에서 제작됩니다. 준비된 Ni@Pd-Pt NC는 HER에서 표준 Pt/C (30wt. % Pt) 촉매를 능가하며 10mA의 음극 전류 밀도에서 초저 과전압 (11.5mV)으로 고속 촉매 성능을 제공합니다. 알칼리 매질에서 Ni@Pd (173mV) 및 표준 Pt/C (26mV) 촉매에 비해 각각 161.5mV 및 14.5mV 더 적습니다. 또한 Ni @ Pd-Pt NC는 표준 Pt/C와 정확히 유사한 Tafel 슬로프 (42mV ∙ dec-1)를 달성하는데, 이는 Ni @ Pd NC에 비해 114mV ∙ dec-1이 더 적습니다. 또한 Ni @ Pd-Pt NC는 산성 매질에서 10mA cm-2의 전류 밀도에서 37mV의 과전 위 값을 나타내며 이는 표준 Pt/C 촉매와 경쟁합니다. 물리적 특성화 및 전기 화학적 분석을 활용하여, 우리는 이러한 공격적인 HER 활동이 비균질 NC 표면에서 중간 제품 간의 경쟁 감소로 인해 HER 동안 증가된 선택성에 의해 지배된다는 것을 입증했습니다. 이 현상은 전기 음성 차이 (χPt> χPd> χNi)와 Ni @ Pd 이종 이진 인터페이스에서 강한 격자 불일치로 인한 전자 국재화에 의해 합리화 될 수 있습니다. 얻은 결과는 HER 및 관련 녹색 에너지 응용 분야를 위한 차세대 이기종 NC를 개발하기위한 손쉬운 설계 전략을 크게 제공할 것이라고 믿습니다. 수소는 녹색 에너지 기술의 구현을 위한 잠재적 후보로 조사되었지만 지속 가능한 수소 생산은 이를 위한 핵심 전제 조건입니다. 수소는 자연적으로 자유롭게 존재하지 않지만 물과 탄화수소와 같은 화합물에서 많이 이용 가능하다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 따라서 다양한 응용 분야에서 사용하기 위해서는 효율적인 수소 생성이 필수적입니다. 최근에는 전기 화학적 물 분리를 통해 지속 가능한 수소 생성에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 수소 발생 반응 (HER)은 전기 화학적 물 분리에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 HER는 매우 높은 과전위를 발생시키고 과전위를 낮추고 HER 역학을 트리거하기 위해 전능성 나노 촉매 (NC)가 필요합니다. 지금까지 탄소지지 백금 (Pt/C)은 우수한 활성, 높은 회전율, 상대적으로 낮은 과전압 및 높은 전류 밀도로 인해 HER 역학을 향상시키는 최첨단 전기 촉매입니다. Pt의 광범위한 적용은 높은 재료 비용과 희소성으로 인해 제한되기 때문에 Pt 로딩을 최소화하거나 Pt 기반 촉매에 대한 대안을 발견하는 것이 산업 효율적인 수소 생산을 위한 핵심 단계입니다. 앞서 언급 한 문제를 고려하여 전이 금속 산화물, 황화물, 탄화물, 황화물을 포함하여 지난 수십 년 동안 지구가 풍부하고 비용 효율적이며 우수한 활성을 가진 대체 촉매를 설계하는 데 엄청난 노력을 기울이고 있습니다. 질화물, borides, phosphides 및 metal-free 촉매는 경제적 한계와 안정성 문제를 극복할 수 있습니다. 또한 일부 귀금속 (예: Pd, Ru)도 HER 역학을 트리거하는 데 사용됩니다. 화산 플롯에 따르면, Pd의 흡착 에너지가 Pt의 흡착 에너지와 거의 유사하기 때문에 Pd는 잠재적 인 HER 촉매가 될 수 있기 때문에 HER에 대한 Pt의 가능한 대안으로 간주됩니다. 더욱이 Pd는 Pt 바로 옆에 높은 수소 (H2) 흡착 에너지를 가지고 있어 기체 상과 전해질 모두에서 상당히 많은 양의 H2를 흡수할 수 있습니다. 또한 Pd는 Pt에 비해 거의 5 배 더 경제적입니다. Pd 기반 촉매는 HER에서 Pt를 대체할 가능성이 있지만, Pt 기반 촉매에 비해 HER 촉매 활성의 좁은 간격이 여전히 존재합니다. Pd를 후기 전이 금속과 합금, 형태 및 조성 제어, 최적화 된 지지 물질과의 결합, 입자 크기 조정 등과 같은 수많은 대체 전략이 이 간격을 메우기 위해 지시되었습니다. 그러나 그들 중 어느 것도 HER에서 Pt 기반 촉매를 능가하지 못했습니다. 앞서 언급 한 주장과 최근의 발전에 따라 현재 연구에서 우리는 표면에 Pt 클러스터 장식이 있는 계층 적 Ni @ Pd NC를 포함하는 삼원 NC를 "자체 정렬 된"이종 핵 생성 결정 성장 메커니즘을 통해 합성했습니다. 카본 블랙 지원 (즉, Ni @ Pd-Pt). 우리의 이전 연구는 Pt- 클러스터 장식이 촉매 표면을 산화로부터 효과적으로 보호하고 HER 촉진을 위한 강렬한 활성 부위를 생성한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 독특한 구조에서, Pt- 클러스터는 Ni @ Pd 표면과 Ni-to-Pd의 이종원 자 인터페이스에 장식되어 있습니다. 리간드 효과 (인접 원자의 전기 음성도 차이로 인한) 및 격자 변형 (격자 불일치로 인한)이 이종 계면에서 핵심 역할을 하고 전자를 NC 표면으로 재배치하므로 촉매 활성 부위가 형성됩니다. HER 역학을 향상시킵니다. 게다가, 인접한 Pd 반응 부위는 HER 동안 중간 단계를 공유하므로 HER에서 Ni @ Pd-Pt의 활성을 증가시킵니다. 따라서 Ni @ Pd-Pt NC는 10mA cm-2의 음극 전류 밀도에서 11.5mV의 더 낮은 과전 위를 제공합니다. 이 과전압은 Ni @ Pd NC (173mV) 및 Pt/C (26mV) 촉매에 비해 각각 15 배 및 2.2 배 적습니다. 또한 3 원 Ni @ Pd-Pt NC는 표준 Pt/C와 유사한 Tafel 기울기가 42mV dec-1입니다. 또한, As-prepared Ni @ Pd-Pt NC는 37mV의 과전위를 가진 산성 배지에서 Ni @ Pd NC에 비해 상당히 향상된 HER 성능을 보여줍니다. 이 과전압 값은 표준 Pt/C 촉매와 동일합니다. 이 연구에서, Ni @ Pd 계층 적으로 구조화된 3 원 금속 나노 촉매를 장식 한 Pt- 클러스터는 "자체 정렬된"이종 핵 생성-결정 성장 메커니즘을 사용하여 카본 블랙 지지체에 준비되었습니다. 획득된 Ni @ Pd-Pt NC는 알칼리성 매질에서 10mA cm-2 음극 전류 밀도에서 11.5mV의 초저 과전압으로 HER를 효율적으로 촉매합니다. 이는 표준 Pt-C 촉매에 비해 14.5mV 더 적습니다. 특별한 의미에서 Ni @ Pd NC의 과전 위는 2.0 wt. %의 Pt를 장식하여 161.5mV로 억제됩니다. 또한 Ni @ Pd-Pt NC는 표준 Pt/C 촉매와 동일한 42mV dec-1의 Tafel 기울기 값을 달성합니다. 준비된 Ni @ Pd-Pt NC는 산성 매체에서도 뛰어난 성능을 보입니다. 요약하면, 얻은 결과는 초저 함량의 Pt를 가진 차세대 HER 촉매 개발을위한 효율적인 전략을 개괄적으로 설명합니다.