刘智攀课题组：基于理性设计开发高本征活性Pd-B析氢反应催化剂

tiantianhao

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。

       近期，复旦大学化学系刘智攀课题组和同济大学化学科学与工程学院韦广丰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）。

       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。论文的第一作者为复旦大学陈林，韦广丰老师与刘智攀教授为该论文的共同通讯作者。

刘智攀，复旦大学教授、博导，教育部长江学者，国家杰出青年科学基金获得者，教育部计算物质科学重点实验室副主任。2000-2003年在英国女皇大学攻读理论化学博士学位，2003-2005在英国剑桥大学从事表面科学理论的博士后研究。目前主要从事表界面化学反应过程的理论计算方法发展和模拟计算。已发表SCI收录论文100余篇，其中J.Am.Chem.Soc 24篇，Phy. Rev. Lett. 5篇，Angew.Chem. 1篇，论文总引用数5100多次。

韦广丰，同济大学教授。2003.9-2012.6 复旦大学化学系本硕博，2012.7-2015.8复旦大学物理系博士后，2015.9加入同济大学化学系，任助理教授。2016年入选上海市青年科技英才扬帆计划。主要研究方向：催化机理研究、新材料理性设计。在Nature Chemistry, Energy & Environmental Science, Chemical Science, Chemistry of Materials, Journal of Chemical Theory and Computation, Journal of Physical Chemistry C, Physical Chemistry Chemical Physics等国际学术期刊上发表SCI论文23篇（影响因子>3.0或SCI 2区以上20篇），论文他引400余次，H指数为11。