磁性催化劑在電催化析氫和析氧方面(miàn)具有重要應用前景。尤其是在堿性電解質中，含Ni、Co、Fe等磁性元素的催化劑表現出優異的催化活性、穩定性和價格優勢。中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能(néng)特性研究團隊，前期以Al-Ni-Co-Mn-Y-Au非晶合金爲前驅體，通過(guò)去合金化方法，研制出具有高活性的Ni-Co-Mn-Y-Au納米多孔析氫催化劑，電催化活性達到70mV @10mA/cm2，塔菲爾斜率爲39mV/dec[J. Mater. Chem. A 8, 3246 (2020)]；進(jìn)一步通過(guò)成(chéng)分調控，制備出納米晶/非晶複合前驅體，去合金化制備的Ni-Co-Mn-Y-Au納米多孔催化劑性能(néng)達到24 mV @10mA/cm2，塔菲爾斜率爲43 mV/dec[J. Alloys Compounds 880, 160548 (2021)]。然而，這(zhè)類磁性催化劑往往包含多種(zhǒng)元素，如果按照每個元素成(chéng)分變化1%，對(duì)于三元成(chéng)分則存在106種(zhǒng)可能(néng)成(chéng)分，如果每天可以篩選10個成(chéng)分，大約需要105天才可能(néng)完全确定最優化的催化劑成(chéng)分，這(zhè)幾乎是不可能(néng)完成(chéng)的任務。因此，亟需發(fā)展多組元催化劑的快速制備和篩選方法。
最近，在中科院甯波材料所非晶合金磁電功能(néng)特性團隊王軍強研究員和霍軍濤研究員的指導下，劉烜志和鄒鵬等提出一種(zhǒng)高通量快速篩選優異催化劑的方法。他們使用多靶磁控濺射方法制備出具有一定成(chéng)分梯度的Ni-Co-Ti和Ni-Fe-Au三元合金薄膜，并提出利用氣泡高通量并行篩選方法，篩選出具有高濃度氣泡（反應活性）的催化劑成(chéng)分。在3-5天内可以在巨大的成(chéng)分空間範圍内，快速篩選出具有高本征催化活性的三元催化劑材料，整體篩選效率比傳統試錯式方法提高了10000多倍。該方法具有廣泛的适用性，不但适用于篩選析氫催化劑，也可以用于篩選析氧催化劑；不僅可以用于三元合金，通過(guò)調整靶材和濺射參數，可以實現更多組元催化劑的快速篩選，對(duì)提高催化材料的開(kāi)發(fā)速度和效率有著(zhe)至關重要的意義。該工作以“Combinatorial High-throughput Methods for Designing Hydrogen Evolution Reaction Catalysts”爲題發(fā)表在國(guó)際知名期刊ACS Catalysis 12, 3789 (2022)上，并申請了發(fā)明專利（專利号202110477593.0）。
以上工作成(chéng)果得到國(guó)家重點研發(fā)計劃（2018YFA0703604、2018YFA0703602），國(guó)家自然科學(xué)基金（52071327、52001319、51922102、92163108），中科院青促會（2019296）, 浙江省自然科學(xué)基金（LR22E010004, 2022C01023）, 甯波市2025科技創新項目（2019B10051）等項目的資助。
高通量合金薄膜制備和高通量并行氣泡篩選方法示意圖和NiCoTi三元催化劑結果
（中科院磁性材料與器件重點實驗室 王軍強）
