開發新型可再生清潔能源是當前材料領域關注的焦點問題。氫氣，由于極高的質量能量密度、產物無污染等優勢成為了極具潛力的可替代清潔能源，而利用高性能催化劑實現低能耗的水分解制氫是當前獲得氫能源的主要手段之一。如何提高催化劑的性能，包括催化活性及其長期穩定性是影響氫能源應用的關鍵問題之一。迄今為止，已知的高催化活性的材料體系，包括商用的Pt/C催化劑多以晶態結構為主體，由于其特征高活性位點和單一的亞穩局域結構有關，因而很難解決其長期穩定性問題。中國科學院物理研究所研究員汪衛華研究組與中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員孫春文課題組及北京計算科學研究中心青年千人計劃研究員管鵬飛課題組合作，研究發現Pd基非晶態合金（又稱金屬玻璃Metallic Glass, MG）作為電化學分解水的催化劑，不僅表現出優異的催化活性，并且具備獨特的自穩定性。金屬玻璃是通過快速冷卻高溫熔體形成的合金材料，其獨特的微觀結構，即短程、中程有序而長程無序的原子排列，使得金屬玻璃具有不同于晶態合金的獨特性能，如高強度、高彈性、耐蝕性及軟磁特性等，因而在一些高科技材料領域有著廣闊的應用前景。Pd基金屬玻璃作為催化材料具有優異、獨特的性能，可能是潛在功能催化材料。

　　該研究工作主要由博士研究生胡遠超、曹乘榕，碩士研究生王義智及博士蘇銳共同完成。他們選用具有優異玻璃形成能力的合金體系——Pd40Ni10Cu30P20非晶條帶作為電化學分解水的催化材料。基于實驗與理論模擬相結合的研究模式，探索了該材料的催化活性及其穩定性，揭示了其微觀機理。研究發現，該材料具有可以和商用10wt% Pt/C催化劑相比擬的起始催化活性，但擁有更加優異的長期穩定性。該金屬玻璃催化劑即使在循環了10000周之后，仍然具有較低的過電壓（圖1）；更為重要的是，其催化活性具有和商用Pt/C催化劑快速衰減截然不同的先增加后緩慢衰減的趨勢，即便在使用超過4萬秒后，其效率仍然可以保持在100%左右 (圖1)。與目前文獻中已經報道的大約100種催化材料進行對比（圖2），說明該金屬玻璃的性能要優于其中的大多數晶態催化材料，并呈現出獨特的自穩定性。基于X射線光電子能譜、電化學阻抗譜分析及第一性原理計算，發現金屬玻璃表面豐富的局域結構與化學不均勻性及其演化是其優異性能的微觀結構起源。第一性原理計算進一步表明，金屬玻璃表面具有豐富的與局域化學元素分布相關的高活性位點（圖3，自由能?GH趨近0），而在催化反應過程中發生的選擇性去合金化，使得反應初期（Ni, P元素的減少）材料表面高活性位點的比例增加，進而呈現出催化活性上升的趨勢；另一方面，金屬玻璃表面本征的不均勻性造就的豐富高活性位點類型，與晶態材料較單一的活性位點類型相比，具有減緩性能衰減的優勢。相關結果近期以A Highly Efficient and Self-Stabilizing Metallic Glass Catalyst for Electrochemical Hydrogen Generation 為題發表在《先進材料》上【Advanced Materials (2016)】。

　　該項研究工作得到國家自然科學基金項目、“973”項目、青年千人計劃和中科院及北京計算科學研究中心的資助。

圖1. 金屬玻璃的極化曲線（左）；金屬玻璃和商用Pt/C催化劑的穩定性對比（右）

圖2. 金屬玻璃與其它100多種催化劑的性能對比

圖3. 金屬玻璃表面H吸附自由能的分布(左)及其相應的局域化學元素分布(右)