Исследовательская группа профессора Сяо Сюэчжана и профессора Чэнь Лисиня из Чжэцзянского университета совместно с коллегами из Университета Сунь Ятсена опубликовала в журнале Advanced Functional Materials свои последние научные результаты под названием «Редкоземельная индуцированная поляризация заряда в среднеэнтропийном сплаве, обеспечивающая быстрое выделение водорода». Команда предложила стратегию «редкоземельной индуцированной поляризации заряда» для разработки высокоэффективных катализаторов на основе среднеэнтропийных сплавов, достигнув эффективного выделения водорода из аммиака борана (AB) путем алкоголиза при комнатной температуре, что открывает новые возможности для проектирования катализаторов в контексте масштабного применения водородной энергии. Аспиранты Чу Фэй и Ван Цзиньцзэ являются соавторами статьи.
Согласно исследовательскому контексту, соединение аммиака борана (NH3BH3, AB) с высоким содержанием водорода обладает плотностью хранения водорода 19,6 мас.% и хорошей экологической стабильностью, что делает его идеальным материалом для хранения и получения водорода. Каталитическое получение водорода из AB и метанола может осуществляться при комнатной температуре без образования вредного аммиака, демонстрируя потенциал в качестве источника водорода для транспортных средств на топливных элементах. Среди этих процессов дегидрирование на стороне метанола является лимитирующей стадией, что требует разработки высокоактивных и стабильных катализаторов для ускорения разложения метанола. В текущих исследованиях часто используется центр d-зоны для оценки адсорбционной способности катализаторов, однако из-за отсутствия четкого разграничения между двумя стадиями «адсорбция-активация» в разложении метанола, понимание каталитического механизма остается недостаточным, что ограничивает проектирование высокоэффективных катализаторов.
Для решения этой проблемы команда предложила стратегию «редкоземельной индуцированной поляризации заряда», вводя редкоземельный элемент La с высокой способностью к отдаче электронов в систему среднеэнтропийного сплава (СЭС) CuCoNi, регулируя распределение заряда между атомами и достигая синергетического усиления «адсорбции-активации». В исследовании был рассчитан средний атомный заряд системы CuCoNiX-СЭС (X=V, Cr и шесть других элементов), в результате чего La был выбран в качестве оптимального легирующего компонента, который формирует значительную разницу зарядов с Cu/Co/Ni, закладывая основу для синергии «адсорбции-активации». «
Команда синтезировала однофазные катализаторы CuCoNiLa-MEA методом карботермического восстановления, и с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА), трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) и других методов было подтверждено успешное образование твердого раствора атомов лантана, определив 690°C как оптимальную температуру синтеза. Тесты на производительность показали, что значение TOF наночастиц CuCoNiLa-MEA, приготовленных при этой температуре, достигло 102 мольН2/мольката-1/мин; когда соотношение легирования лантана составляло 0,3, катализатор показывал наилучшие результаты, значение TOF увеличилось до 147,9 мольН2/мольката-1/мин, что примерно на 50% выше, чем у CuCoNi-MEA. Кинетические исследования показали, что его кажущаяся энергия активации была всего 31,3 кДж/моль, что ниже 35,6 кДж/моль для CuCoNi, значительно снижая кинетический барьер реакции.
Исследования механизма показали, что после введения лантана произошла значительная межатомная поляризация заряда: лантан проявлял положительный заряд +1,124 е, в то время как Cu/Co/Ni проявляли отрицательные заряды. Положительно заряженный лантан направленно адсорбирует атом кислорода метанола, в то время как отрицательно заряженные Cu/Co/Ni адсорбируют и ускоряют диссоциацию атомов водорода. Расчеты методом функционала плотности (DFT) и симуляции методом молекулярной динамики с учетом атомистических взаимодействий (AIMD) подтвердили, что энергия адсорбции метанола на сайтах лантана более отрицательна, с более быстрой и стабильной адсорбцией. Синергетическое сочетание «адсорбция-активация» значительно повышает каталитическую эффективность. Это исследование предоставляет новую руководящую стратегию для разработки высокоэффективных, низкозатратных катализаторов для производства водорода, что имеет большое значение для устойчивого развития водородной энергетики.
