Au电极上用于析氢反应的AuNi合金:走向更清洁的明天

千叶大学研究人员表明，由于 Ni 脱合金化形成的表面缺陷，AuNi/Au 电催化剂的析氢反应活性增加。

AuNi/Au催化剂的析氢反应活性通过Ni脱合金得到增强，并且取决于Au基底的表面结构，（110）表面导致最高活性，其次是（111）和（100）。

—Masashi Nakamura 来自千叶大学(Chiba University)。

近年来，氢气作为清洁和绿色未来的燃料势头强劲。这种碳中性燃料源通过在氧气存在的情况下燃烧释放出大量的能量，副产品是水蒸气。最流行的制氢方法之一是用电将水分解成氢和氧。

电化学电池用于分解水，并在析氢反应 (HER) 中在带负电的电极上释放氢气。催化剂用于降低 HER 过电势（理论电池电压与析氢所需电压之间的差值），从而提高该过程的效率。最近，金 (Au) 和镍 (Ni) 的合金表现出良好的 HER 活性。虽然 AuNi 的电化学性质已得到充分研究，但对其表面结构和原子组成知之甚少，而这决定了催化剂的电催化活性。

现在，千叶大学的一个研究小组，由工程研究生院的副教授Masashi Nakamura领导，包括科学与工程研究生院的博士生Syunnosuke Tanaka和工程研究生院的Nagahiro Hoshi教授，已经弥合了对AuNi电催化剂理解的差距。在他们最近于2023年6月28日发表在《ChemElectroChem》上的突破性文章中，研究小组研究了在单晶Au电极上不同合金温度下制备的AuNi表面合金的表面结构、原子排列和HER活性。

Nakamura博士讨论了当前研究背后的动机。“稀有和昂贵的金属，如铂，通常用作水电解的催化剂。虽然与铂相比，金作为催化剂具有较高的化学稳定性，但其HER活性较低。现在，AuNi纳米颗粒已经成为一种很有前途的非铂替代品，进一步提高其HER活性至关重要。”

研究小组将AuNi/Au电极转移到含有0.05 M硫酸的电化学电池中，进行循环伏安(CV)和线性扫描伏安(LSV)测量，评估其HER活性。采用x射线光电子能谱(XPS)和表面X射线衍射(SXRD)技术分析了AuNi/Au催化剂的表面性质。

CVs和LSVs结果表明，AuNi/Au的HER活性与Au衬底的表面结构有关，其中(110)表面的HER活性最高，其次是(111)和(100)。表面合金通过Ni合金化提高了HER活性。XPS和SXRD证实了这一点，研究小组观察到，由于Ni从表面合金层中溶解，表面最上层的原子占用率下降。Ni合金化过程在表面产生缺陷，靠近Ni的低配位Au激活了HER。

本研究提供了对AuNi表面合金结构和电化学性能的深入了解，为在电解和燃料电池中应用高活性和耐用的Au基催化剂铺平了道路。Nakamura博士总结道:“设计有效的非铂电催化剂可以降低水电解的成本，也可以提高其能量转换效率，这对于加速向氢驱动社会发展至关重要。”