發(fā)布：材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 時(shí)間：2017-07-13
近日，我校材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室木士春教授在電化學(xué)制氫方面取得重要進(jìn)展，研究成果已在國(guó)際化學(xué)頂級(jí)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上在線發(fā)表（RuP2-based Catalysts with Platinum-like Activity and Higher Durability for Hydrogen Evolution Reaction at All pH Values. Angewandte Chemie International Edition, 2017, Doi: 10.1002/anie.201704911）。
氫被認(rèn)為是一種理想的能源載體，具有能量密度高、可循環(huán)利用和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)還可廣泛用作燃料電池的能源。電解水制氫由于環(huán)境友好、產(chǎn)品純度高以及無(wú)碳排放等優(yōu)點(diǎn)，已引起了人們的廣泛興趣。但目前電解水居高不下的電能消耗增加了制氫成本，成為限制其大規(guī)模應(yīng)用的最重要瓶頸。這就需要大幅降低電極極化，特別是降低陰極析氫反應(yīng)的過(guò)電位，實(shí)現(xiàn)在低電位下的大電流產(chǎn)氫。一直以來(lái)，鉑（Pt）基貴金屬催化劑被公認(rèn)為優(yōu)異的析氫催化劑，但其較高的成本和資源匱乏的缺點(diǎn)限制了其廣泛應(yīng)用。因此，研發(fā)低成本的電解水制氫催化劑成為近幾年的研究熱點(diǎn)。
過(guò)渡金屬二磷化物（TMPs）作為一類富磷的金屬磷化物，其催化析氫活性高于富金屬的磷化物。然而，此方面的研究工作鮮有報(bào)道。因此，如何設(shè)計(jì)和制備富磷的過(guò)渡金屬磷化物并將其用于電催化析氫有利于降低過(guò)電位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在低電位下的大電流產(chǎn)氫成為大幅降低制氫成本的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。課題組首先通過(guò)理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)氮磷雙摻雜的碳可有效降低富磷的二磷化釕（RuP2）對(duì)氫吸附自由能，從而達(dá)到與鉑催化劑接近的氫吸附自由能值。進(jìn)而利用綠色的植酸為磷源成功合成了氮磷雙摻雜碳（NPC）為殼，RuP2為核的核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納米材料(RuP2@NPC)。該合成方法具有簡(jiǎn)單、安全和可規(guī)?；苽涞葍?yōu)點(diǎn)。所制備的RuP2@NPC復(fù)合納米結(jié)構(gòu)在中性、甚至強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下電解水制氫，均表現(xiàn)出與貴金屬鉑相似的析氫性能。例如，作為酸性析氫電催化劑，在電流密度為10 mA cm-2時(shí)其過(guò)電位僅為38 mV，顯示出與商用鉑碳（Pt/C）電催化劑非常相似的電催化析氫性能。同時(shí)，氮磷雙摻雜碳層可原位包覆在RuP2表面，有效地保護(hù)RuP2，從而改善了其電化學(xué)穩(wěn)定性。因此，這種獨(dú)特的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)促使RuP2催化活性及穩(wěn)定性能得以大幅提升。更重要的，該研究工作中使用的貴金屬釕其價(jià)格僅為鉑的4%，展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。
本論文通訊作者為木士春教授，第一作者為博士研究生蒲宗華。蒲宗華同學(xué)自2015年入學(xué)以來(lái)，在不到兩年的時(shí)間里，已經(jīng)以第一作者身份在Angewandte Chemie International Edition 、Applied Catalysis B: Environmental 、Chemical Communications 、Journal of Materials Chemistry A 、ACS Applied Materials & Interfaces、Nanoscale、New Journal of Chemistry、 RSC Advances 、Energy Technology等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表SCI論文11篇，總影響因子已超過(guò)75。
該項(xiàng)研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金(51372186, 51672204)及?！皟?yōu)博”（2016-YB-001）基金的資助。