氫作為一種無汙染的可再生能源，在應對能源危機中發揮著重要作用。電解水是一種環保、經濟和可持續的制氫方式。然而水分解的主要反應之一析氫反應(HER)，其動力學緩慢，仍然需要高效的催化劑來加速該反應。金屬玻璃(MGs)作為一種亞穩態材料，由於其獨特的長程無序原子結構，與相應的晶體合金相比具有優越的效能。此外，這種無定形結構有利於催化效能，可以在電化學應用的表面引入更多的催化活性位點。雖然從宏觀上看，MGs中的原子是均勻隨機分佈的，但MGs矩陣內部也存在一些化學成分不均勻的區域，可以稱為流動單元。與非晶矩陣不同，流動單元中的原子排列更鬆散並且處於更高的能量狀態，這可能有利於催化電化學反應。MGs的特性可以透過不同的熱或機械方法改變流動單元的密度來有效地調整。高壓扭轉(HPT)是一種透過壓縮和扭轉相結合進行結構改性的有效技術。已有報道顯示，經過HPT處理的Fe78Si9B13MGs顯示出增強的催化效能，然而Fe基MGs通常很硬，HPT處理會在非晶基體上誘導奈米晶化，奈米晶對催化效能的影響很難闡明。
暨南大學的研究人員採用Pd40Cu30Ni10P20MG進行HPT處理並研究了HER催化效能。結果表明，經HPT處理的MG在酸性和鹼性介質中均表現出優異的HER催化效能，而不會引起明顯的結晶。嚴重的塑性變形顯著增加非晶基體中流動單元的密度。相關論文以題為“Severe plastic deformed Pd-based metallic glass for superior hydrogen evolution in both acidic and alkaline media”發表在Scripta Materialia。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114145
研究發現HPT處理後，玻璃化轉變溫度(Tg)保持不變；結晶起始溫度(Tx)由377.4℃降至357.6℃，熔化溫度約降低20℃。DSC結果的變化是HPT處理引起的嚴重塑性變形所致。結合Tx和H的變化，HPT處理後MG的結晶行為更容易發生，結晶所需的能量降低。HPT處理為非晶基體引入了更多的流動單元，使MG的勢能增加並達到更高且不穩定的狀態。因此，經HPT處理的MG更容易發生結晶行為，這解釋了Tx的降低。
圖1 Pd40Cu30Ni10P20MG在HPT處理前後的XRD、SEM、DSC結果
圖2 在(a、b)酸性和(c、d)鹼性電解質中，經熔融紡絲和高壓扭轉的Pd40Cu30Ni10P20 MG迴圈前後的LSV曲線和電容電流密度
圖3 在(a、b)酸性和(c、d)鹼性電解質中，熔融紡絲和高壓扭轉Pd40Cu30Ni10P20 MG的XPS圖
圖4 HPT處理和制氫過程前後非晶基體中流動單元密度示意圖
Pd40Cu30Ni10P20金屬玻璃(MG)在酸性和鹼性介質中的電催化析氫反應(HER)透過使用高壓扭轉(HPT)的嚴重塑性變形得到增強。劇烈的塑性變形使樣品的能態增加了約21.7J/g而不引起結晶。在0.5 M H2SO4和1.0 M KOH 條件下，HPT處理的Pd40Cu30Ni10P20MG在10 mA/cm2處的過電位分別為76mV和209mV，遠小於那些在相同條件下未經HPT的熔紡Pd40Cu30Ni10P20MG的電位(分別為179 mV和379mV)。改進的HER效能應主要歸因於透過嚴重的塑性變形顯著增加非晶基體中流動單元的密度。Pd40Cu30Ni10P20金屬玻璃(MG)上的高壓扭轉(HPT)產生的劇烈塑性變形將在非晶基體上產生更多的流動單元，並顯著提高酸性和鹼性介質中的電催化析氫反應(HER)效能。本文為金屬玻璃(MGs)催化劑的設計提出了指導性建議，對未來氫能源的開發利用產生有益影響。（文：破風）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯絡，未經許可謝絕轉載至其他網站。
