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电解水制氢新突破：15 秒 1500℃焦耳热合成 Pt-Tb 合金，电解槽稳定超100 小时

点击：0 时间：2025-06-26 17:21:38

近日，南京师范大学付更涛教授、王彧教授团队在《Advanced Materials》上发表了题为“C15-Phase Platinum-Lanthanide Intermetallics for Efficient Hydrogen Evolution: Identifying Lanthanide's Enhanced Mechanism”的论文，通过焦耳加热技术制备铂-稀土合金催化剂，含铽的催化剂在碱性制氢中过电位低、稳定运行超100小时。稀土铽通过促进水分解和优化铂电子结构的双重作用提升性能，为高效制氢材料开发提供新方向。

【研究背景】

1.氢能需求与技术瓶颈：碱性析氢反应（HER）是阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）制氢核心，但动力学慢，需高效催化剂；商用Pt/C成本高、易团聚，需替代材料。

2.铂基金属间化合物（IMCs）潜力：有序结构可减少Pt用量并提升活性，传统3d过渡金属IMCs电子调控不足；镧系元素（Ln）的4f轨道可优化Pt电子结构，但其高氧亲和性导致合成困难。

3.关键问题：Pt-Ln IMCs合成效率低，有序Ln位点的催化机制不明。

【研究方法】

1.焦耳加热快速合成技术：通过焦耳加热技术在 15 秒内将负载 Pt-Ln 前驱体的炭黑加热至 1500°C，利用瞬态高温还原和快速淬火锁定 C15 相有序结构，调控电流和时间可控制有序度，避免颗粒团聚。

2.多尺度结构与电子表征：XRD证实C15有序相，TEM/HAADF-STEM显示8.3 nm颗粒及Pt-Tb有序排列，XPS/XAS表明Ln→Pt电子转移、Ptᵟ⁻及d带下移。

图1.晶体结构与形貌表征

3.催化性能评估与机理研究：JH-Pt₂Tb/C过电位17 mV、循环稳定，AEMWE单电池1.79 V@1 A/cm²运行超100小时，原位拉曼+DFT揭示Tb通过4f-5d杂化加速水分解和H*脱附。

【研究结果】

1.高效催化性能：JH-Pt₂Tb/C 在 10 mA cm⁻² 过电位 17 mV，Tafel 斜率 46 mV dec⁻¹，质量活性 1140 mA mg_Pt⁻¹，优于商用 Pt/C；无序结构过电位更高，证实有序结构关键作用。

2.AEMWE 应用潜力：JH-Pt₂Tb/C 作为阴极的 AEMWE 在 1 A cm⁻² 下电压 1.79 V，稳定运行超 100 小时，能耗 4.28 kWh Nm⁻³ H₂，适用于工业场景。

3.双功能催化机制：Tb通过4f轨道与OH⁻结合降低水解离能垒至0.353 eV，同时向Pt电子转移使其带负电、优化H*吸附能（ΔG_H=0.015 eV）并通过Pt₂ dimer位点促进脱附。

【展望】

1.材料优化：拓展Ln元素（如Yb），设计核壳结构，开发绿色合成工艺（无氯前驱体、连续流设备）。

2.机理与计算：原位表征动态追踪反应，机器学习筛选高活性组合，跨尺度模拟解析质子转移路径。

3.工业应用：优化电解槽设计，提升耐久性（抗腐蚀、回收技术），平衡成本与能效。

电解水制氢新突破：15 秒 1500℃焦耳热合成 Pt-Tb 合金，电解槽稳定超100 小时

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