基于理性设计开发高本征活性Pd-B析氢反应催化剂

水裂解过程中的从质子到氢气转换反应（析氢反应，HER，2H⁺+2e^-→H₂），是获取清洁氢能的重要手段，因此该反应被认为是向清洁能源社会发展的重要化学反应。然而，该反应通常需要以铂（Pt）为基础的材料作为催化剂，催化剂成本高、长期稳定性不足，很大程度上限制了其大规模应用。

日前，我院韦广丰课题组和复旦大学化学系刘智攀课题组基于量子力学理论研究预测，发展了一种简单的溶剂热法合成的碳负载Pd₂B纳米片。实验表明该Pd₂B纳米片具有超低的HER过电位，在10 mA/cm²电流密度下过电位仅为15.3 mV，Tafel斜率为22.5 mV/Dec，交换电流密度（j₀）达到2.84 mA/cm²。实验还表明该金属硼化物在酸性条件下具有创记录的高本征活性，比商业化的Pt/C催化剂高约2倍，并且在反应条件下具有很高的稳定性。该研究成果以“Metal Boride Better Than Pt: HCP Pd₂B as Superactive Hydrogen Evolution Reaction Catalyst”为题在线发表于能源和环境领域顶级期刊《Energy & Environmental Science》（DOI: 10.1039/C9EE01564G）。

最新的量子化学模拟研究表明，铂催化剂的高活性原子很大程度上来源于位于催化剂超小纳米颗粒的顶点的高活性位，而这些顶点的活性位容易在实际反应条件下随着纳米粒子团聚而丢失。该工作的研究重点则是希望寻找到一种能够在原子紧密堆积的表面上展现出高活性与稳定性的晶体材料。利用基于第一性原理的势能面随机行走全局优化技术，研究团队最近的研究(Wei et.al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 27752，入选2018 PCCP 热点论文)发现，Pd-B能够复合形成稳定的具有金属性的块体硼化物，而热力学上最稳定的Pd硼化物相则是具有六方密堆（hcp）结构的Pd₂B相。理论研究进一步预测，Pd₂B能够具有比纯铂更高的本征活性，因此Pd₂B被确定为合适的候选材料。

研究人员提出了通过溶剂热合成Pd₂B晶体的新方法，并进一步证明了其在强酸性条件下的超高活性和高稳定性。通过理论计算，研究人员详细分析了从金属Pd到金属硼化物Pd₂B的逐级结构演变过程，表明从Pd的面心立方堆积（fcc）结构到六方密堆积（hcp）结构的逐层相变对B插入动力学是至关重要的。理论计算进一步表明，hcp晶格形成后的次表面B和晶格膨胀对提升催化剂的本征活性起着关键作用。根据理论预测，由于Pd₂B晶体是Pd-B合金各组分中热力学最稳定的体相结构，实验合成的成功开启了该稳定相作为活性催化剂，特别是加氢催化反应的可能性。考虑到高合金化过渡金属硼化物中Pd₂B的超电势低于铂，因此在苛刻（如还原性、酸性）条件下，高合金化的过渡金属硼化物有望成为一类高耐久性、高活性的催化剂。该工作为进一步探索这类稳定的金属硼化物材料的催化性能铺平了道路。

该研究工作得到了国家重点研究开发计划（2018YFA0208600）、国家自然科学基金（21533001, 91745201, 21603165、21573149）、上海市青年科技英才扬帆计划（16YF1412300）等项目的资助。论文的理论部分由我院硕士研究生章玲然完成，韦广丰老师与刘智攀教授为该论文的共同通讯作者。