Coupling Amorphization and Compositional Optimization of Ternary Metal Phosphides toward High-Performance Electrocatalytic Hydrogen Production

化学 三元运算 联轴节(管道) 金属 制氢 生产(经济) 无机化学 冶金 有机化学 计算机科学 宏观经济学 经济 材料科学 程序设计语言
作者
Bing Deng,Zhenyu Wu,Erkang Feng,Lu Ma,Zhe Wang,Jinhang Chen,Lucas Eddy,Alexander Lathem,T. Wang,Weiyin Chen,Yi Cheng,Shichen Xu,Qiming Liu,Boris I. Yakobson,Haotian Wang,Yufeng Zhao,James M. Tour
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (19): 16129-16140 被引量:25
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00071
摘要

Amorphous materials, with abundant active sites and unique electronic configurations, have the potential to outperform their crystalline counterparts in high-performance catalysis for clean energy. However, their synthesis and compositional optimization remain underexplored due to the strict conditions required for their formation. Here, we report the synthesis of ternary platinum-nickel-phosphorus (PtNiP) amorphous nanoparticles (ANPs) within milliseconds by flash Joule heating, which features ultrafast cooling that enables the vitrification of metal precursors. Through compositional optimization, the Gibbs free energy of hydrogen adsorption for Pt4Ni4P1 ANPs is optimized at 0.02 eV, an almost ideal value, even surpassing that of the benchmark metallic platinum catalyst. As a result, the PtNiP ANPs exhibited superior activity in electrocatalytic hydrogen evolution in acid electrolyte (η10 ∼ 14 mV, Tafel slope ∼ 18 mV dec–1, and mass activity 5× higher than state-of-the-art Pt/C). Life-cycle assessment and technoeconomic analysis suggest that, compared to existing processes, our approach enables notable reductions in greenhouse gas emission, energy consumption, and production cost for practical electrolyzer catalyst manufacturing.
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