寧波材料所在多組元析氫催化劑的高通量篩選方法方面取得重要進(jìn)展
磁性催化劑在電催化析氫和析氧方面具有重要應(yīng)用前景。尤其是在堿性電解質(zhì)中，含Ni、Co、Fe等磁性元素的催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性、穩(wěn)定性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團(tuán)隊(duì)，前期以Al-Ni-Co-Mn-Y-Au非晶合金為前驅(qū)體，通過去合金化方法，研制出具有高活性的Ni-Co-Mn-Y-Au納米多孔析氫催化劑，電催化活性達(dá)到70mV @10mA/cm2，塔菲爾斜率為39mV/dec[J. Mater. Chem. A 8, 3246 (2020)]；進(jìn)一步通過成分調(diào)控，制備出納米晶/非晶復(fù)合前驅(qū)體，去合金化制備的Ni-Co-Mn-Y-Au納米多孔催化劑性能達(dá)到24 mV @10mA/cm2，塔菲爾斜率為43 mV/dec[J. Alloys Compounds 880, 160548 (2021)]。然而，這類磁性催化劑往往包含多種元素，如果按照每個(gè)元素成分變化1%，對(duì)于三元成分則存在106種可能成分，如果每天可以篩選10個(gè)成分，大約需要105天才可能完全確定最優(yōu)化的催化劑成分，這幾乎是不可能完成的任務(wù)。因此，亟需發(fā)展多組元催化劑的快速制備和篩選方法。
最近，在中科院寧波材料所非晶合金磁電功能特性團(tuán)隊(duì)王軍強(qiáng)研究員和霍軍濤研究員的指導(dǎo)下，劉烜志和鄒鵬等提出一種高通量快速篩選優(yōu)異催化劑的方法。他們使用多靶磁控濺射方法制備出具有一定成分梯度的Ni-Co-Ti和Ni-Fe-Au三元合金薄膜，并提出利用氣泡高通量并行篩選方法，篩選出具有高濃度氣泡（反應(yīng)活性）的催化劑成分。在3-5天內(nèi)可以在巨大的成分空間范圍內(nèi)，快速篩選出具有高本征催化活性的三元催化劑材料，整體篩選效率比傳統(tǒng)試錯(cuò)式方法提高了10000多倍。該方法具有廣泛的適用性，不但適用于篩選析氫催化劑，也可以用于篩選析氧催化劑；不僅可以用于三元合金，通過調(diào)整靶材和濺射參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更多組元催化劑的快速篩選，對(duì)提高催化材料的開發(fā)速度和效率有著至關(guān)重要的意義。該工作以“Combinatorial High-throughput Methods for Designing Hydrogen Evolution Reaction Catalysts”為題發(fā)表在國際知名期刊ACS Catalysis 12, 3789 (2022)上，并申請(qǐng)了發(fā)明專利（專利號(hào)202110477593.0）。
以上工作成果得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0703604、2018YFA0703602），國家自然科學(xué)基金（52071327、52001319、51922102、92163108），中科院青促會(huì)（2019296）, 浙江省自然科學(xué)基金（LR22E010004, 2022C01023）, 寧波市2025科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2019B10051）等項(xiàng)目的資助。
高通量合金薄膜制備和高通量并行氣泡篩選方法示意圖和NiCoTi三元催化劑結(jié)果
（中科院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 王軍強(qiáng)）