Explotar el hidrógeno como fuente de energía limpia para el futuro, Los científicos se han esforzado por desarrollar procesos novedosos para producir hidrógeno de manera eficiente y rentable. Un equipo compuesto por científicos que se especializan en materiales estructurales en la City University of Hong Kong (CityU) ha desarrollado un electrocatalizador de alto rendimiento basado en un concepto innovador originalmente para el desarrollo de aleaciones. El nuevo electrocatalizador se puede producir a gran escala y a bajo costo, proporcionando un nuevo paradigma en la amplia aplicación de la producción de hidrógeno por reacción electroquímica en el futuro.

La investigación fue codirigida por el profesor Lu Jian, El vicepresidente de CityU (investigación y tecnología) y profesor de ingeniería mecánica, y el profesor Liu Chain-tsuan, profesor universitario distinguido de la Facultad de Ingeniería. Los hallazgos fueron publicados en Materiales avanzados con el título "Un nuevo intermetálico multinario como electrocatalizador activo para la evolución del hidrógeno".

Cuando se consume en una pila de combustible, el hidrógeno solo produce agua sin generación de dióxido de carbono. Por lo tanto, Se considera comúnmente como una fuente limpia ideal para abordar los problemas de los gases de efecto invernadero y la escasez de energía. En comparación con otros métodos de producción de hidrógeno, La división electroquímica del agua es un proceso relativamente respetuoso con el medio ambiente con un gran potencial para aplicaciones industriales. Sin embargo, la mayoría de los electrocatalizadores actuales están basados ​​en metales nobles, como platino y paladio. Sus altos costos y escasez dificultan en gran medida el desarrollo y la aplicación de este método de producción de hidrógeno.

Más temprano, El profesor Liu desarrolló una innovadora estrategia de diseño de aleaciones para la fabricación de compuestos intermetálicos de alta entropía. Esta estrategia supera el dilema de compensación entre resistencia y ductilidad en materiales metálicos tradicionales mediante la introducción de nanopartículas de alta densidad de compuestos intermetálicos multicomponente a nanoescala. Los hallazgos fueron publicados en Ciencias . Dado que los compuestos intermetálicos de alta entropía poseen estructuras atómicas bien ordenadas y funciones químicas sinérgicas gracias a sus múltiples componentes, Ambos promueven el rendimiento electrocatalítico, La nueva estrategia de diseño de aleaciones también proporciona información para desarrollar nuevos electrocatalizadores.

El equipo del profesor Liu colaboró ​​con el grupo de expertos del profesor Lu en la investigación de metales nobles y desarrolló un nuevo electrocatalizador intermetálico de alta entropía (HEI) mediante la adopción de la estrategia de diseño de aleación. El nuevo electrocatalizador está compuesto principalmente por cinco elementos metálicos:hierro, cobalto, níquel, aluminio y titanio. También tiene una estructura atómica bien ordenada. A través de un simple, método químico de un solo paso, el equipo produjo una estructura porosa similar a una dendrita que aumentó en gran medida el área de superficie para las actividades electroquímicas y, por lo tanto, mejoró significativamente el rendimiento electroquímico.

Las aleaciones de alta entropía (HEA) son nuevas aleaciones hechas de cuatro o más elementos metálicos, con buena mecanica, físico, propiedades químicas y de otro tipo. Dado que contiene variedades de elementos, las funciones sinérgicas entre los diferentes elementos químicos proporcionan muchos caminos para optimizar el rendimiento catalítico. Sin embargo, los HEA convencionales tienen una distribución atómica desordenada en su solución sólida, por lo que es difícil alterar eficazmente la estructura electrónica y los sitios activos para finalmente promover la reacción electroquímica.

Por otra parte, Los compuestos intermetálicos son un tipo de aleación metálica formada por elementos metálicos, o por elementos metálicos con uno o más elementos no metálicos cuya estructura cristalina difiera de la de los demás constituyentes. Dado que los átomos de metales multinarios se distribuyen uniformemente en su estructura intermetálica bien ordenada, permite un efecto de aislamiento de sitio específico. Y su estructura electrónica es altamente sintonizable. Por tanto, se considera un catalizador prometedor. Sin embargo, la mayor parte de la investigación actual sobre electrocatalizadores intermetálicos se centra en aleaciones binarias que no tienen funciones sinérgicas entre los elementos metálicos multinarios.

Por lo tanto, El resultado de esta investigación es en realidad el resultado de combinar las ventajas de las aleaciones de alta entropía (efectos sinérgicos entre elementos metálicos multinarios) y los compuestos intermetálicos (efecto de aislamiento del sitio estructural intrínseco y estructura electrónica bien ajustada).

Mediante el uso de microscopía electrónica de transmisión de barrido de resolución atómica (con corrección de Cs) y tomografía de sonda atómica tridimensional en experimentos, el equipo caracterizó la estructura atómica del electrocatalizador HEI. Con más cálculos teóricos, demostraron que los efectos sinérgicos y la estructura atómica bien ordenada optimizan eficazmente la estructura electrónica, y por lo tanto promover el proceso electroquímico de división del agua.

Debido a sus componentes y estructura únicos, este catalizador HEI realiza una excelente reacción de desprendimiento de hidrógeno en una solución de electrolito alcalino.

"Nuestra estrategia única para producir HEI descubre un nuevo paradigma para desarrollar un electrocatalizador novedoso con actividades de reacción superiores para dividir agua y producir hidrógeno, "dijo el profesor Liu.

"El método que utilizamos para preparar la IES ya se ha utilizado ampliamente en la producción industrial. Dado que utilizamos los metales más baratos como materias primas, Creemos que este nuevo electrocatalizador tendrá un potencial de aplicación prometedor en la producción industrial de hidrógeno. "Añadió el profesor Lu.