Nat. Commun.：超细结构纳米多孔金属间化合物催化剂

【成果简介】

由非贵重过渡金属形成的金属间化合物是一类有前景的低成本高稳定性电化学制氢催化剂。然而，开发具有充足活性位点和优异电催化性能的整体式纳米多孔金属间化合物仍然是一个挑战。近日，日本东北大学韩久慧助理教授、加藤秀实教授和约翰霍普金斯大学陈明伟教授报道了一种高温熔融金属脱合金（liquid metal dealloying，LMD）策略，基于一种新颖的金属间化合物效应，制备了具有超精细孔结构的纳米多孔Mo基金属间化合物催化剂，具有优异的电催化析氢性能。相关成果以“Ultrafine nanoporous intermetallic catalysts by high-temperature liquid metal dealloying for electrochemical hydrogen production”发表在Nature Communications上。论文第一作者为日本东北大学博士生宋瑞瑞。

【核心发现】

1. 发展了LMD方法制备具有超细孔结构的纳米多孔Mo基金属间化合物。实验发现伴随着脱合金过程中纳米多孔结构的演化，LMD的高温条件可以有效克服动力学能垒，从而直接形成有序金属间化合物相。

2. 所制备的纳米多孔μ-Co₇Mo₆和μ-Fe₇Mo₆的特征长度只有~30 nm，与一般认为的LMD高温条件会得到粗大孔结构（几百纳米到几微米）的认识有差异。借助分子动力学模拟计算，发现脱合金过程中高温驱动的原子结构有序化有效降低了原子表面扩散速率，从而显著抑制了纳米多孔结构的热粗化。

3. 制备的超细纳米多孔μ-Co₇Mo₆金属间化合物，具有大的比表面积，在电化学析氢反应中表现出高的催化活性和耐久性。

【数据概览】

图1、纳米多孔μ-Co₇Mo₆的设计和LMD制备

图2、LMD法制备的多种纳米多孔金属间化合物的结构表征

图3、纳米多孔金属间化合物的特征长度和界面扩散速率的分子动力学模拟

图4、 LMD过程中纳米多孔原子有序结构的演化及动力学能垒示意图

图5、粉体形态纳米多孔Mo基金属间化合物的电催化析氢性能

图6、自支撑形态纳米多孔μ-Co7Mo6的电催化析氢性能

【成果启示】

本研究提出了一种自上而下的高温LMD策略用于制备三维纳米多孔Mo基金属间化合物催化剂。结合实验分析和分子动力学模拟发现了一种新颖的“金属间化合物效应”，即纳米多孔结构形成过程中高温驱动的原子结构有序化可以有效降低原子表面扩散速率，从而抑制纳米多孔结构的热粗化。具有超细多孔结构的纳米多孔μ-Co₇Mo₆表现出高的电催化活性和耐久性，适用于大电流的电化学析氢反应应用。该研究揭示的“金属间化合物效应”有望促进先进纳米尺度金属间化合物催化剂的开发和应用。

参考文献：Song, R., Han, J., Okugawa, M. et al. Ultrafine nanoporous intermetallic catalysts by high-temperature liquid metal dealloying for electrochemical hydrogen production. Nat Commun 13, 5157 (2022).

DOI：10.1038/s41467-022-32768-1

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32768-1

本文由Mr.No.9供稿