2017-12-19 X一MOL資訊
注：文末有研究團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介 及本文作者科研思路分析
隨著對(duì)化石燃料燃燒引發(fā)的空氣污染和全球氣候變暖的日趨關(guān)注，開(kāi)發(fā)清潔、高效、可持續(xù)的能源迫在眉睫。氫是一種理想的能源載體，具有單位質(zhì)量能量密度高、可循環(huán)利用和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)還可廣泛用作燃料電池的能源。然而，自然界中的氫并不以氫氣分子的形式存在，因此發(fā)展可持續(xù)的氫氣制備技術(shù)十分關(guān)鍵。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，電解水制取氫氣是最有前景的方式。以水作為原料不但取之不盡、用之不竭，而且氫燃燒放出能量后又生成產(chǎn)物水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。然而多年來(lái)，水電解制氫技術(shù)的進(jìn)展緩慢，其主要原因在于過(guò)高的電能消耗增加了制氫成本。這就需要大幅降低電極極化，其中的關(guān)鍵之一是降低陰極析氫反應(yīng)的過(guò)電位，實(shí)現(xiàn)低電位下的大電流產(chǎn)氫。一直以來(lái)，鉑基貴金屬催化劑公認(rèn)為是優(yōu)異的析氫催化劑，但高昂的價(jià)格和極度匱乏的資源限制了其廣泛的應(yīng)用。因此，發(fā)展低成本、高效的非Pt電解水析氫催化劑成為研究的熱點(diǎn)。
近日，武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的木士春教授課題組在電化學(xué)制氫的研究中取得重要進(jìn)展。他們首先通過(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)氫的吸附自由能，從而達(dá)到與鉑催化劑接近的氫吸附自由能。隨后，他們利用綠色的植酸作為磷源成功合成了氮磷雙摻雜的碳為殼、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、安全和可大規(guī)模化制備等優(yōu)點(diǎn)。
電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，制備得到的復(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)出與貴金屬鉑媲美的析氫性能。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，表現(xiàn)出與商用鉑碳（Pt/C）電催化劑相似的電催化析氫活性。同時(shí)，氮磷雙摻雜碳層可原位包覆在RuP2表面，有效保護(hù)RuP2，從而改善其電化學(xué)穩(wěn)定性。因此，這種獨(dú)特的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)可促使RuP2的催化活性及穩(wěn)定性得到大幅度提升。更重要的是，該研究工作中使用的貴金屬釕價(jià)格僅為鉑的10%（目前價(jià)格），表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。這一研究成果已于Angewandte Chemie International Edition 在線發(fā)表。文章的第一作者為博士研究生蒲宗華，通訊作者為木士春教授。
該論文作者為：Zonghua Pu, Ibrahim Saana Amiinu, Zongkui Kou, Wenqiang Li, Prof. Shichun Mu
原文（掃描或長(zhǎng)按二維碼，識(shí)別后直達(dá)原文頁(yè)面）：
RuP2-based Catalysts with Platinum-like Activity and Higher Durability for Hydrogen Evolution Reaction at All pH Values. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 11559, DOI: 10.1002/anie.201704911
木士春教授簡(jiǎn)介
木士春，武漢理工大學(xué)教授，主要從事石墨烯材料、質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料與核心器件、鋰離子電池關(guān)鍵材料以及電催化析氫等研究工作；近年來(lái)，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能燃料電池芯片（CCM），將其成功應(yīng)用于100 kW的大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，并實(shí)現(xiàn)向美國(guó)大批量出口CCM產(chǎn)品（20余萬(wàn)片）；發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了兩種新的石墨烯制備方法，為低成本宏量制備石墨烯奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；研制和遴選出多種在全pH范圍內(nèi)具有類鉑活性和高穩(wěn)定性的過(guò)渡金屬磷化物非鉑析氫催化劑；近年來(lái)，承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃課題、國(guó)家973計(jì)劃課題、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（納米專項(xiàng)）課題、國(guó)家自然基金項(xiàng)目等10余項(xiàng)科研項(xiàng)目；作為第一/通訊作者已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Mater. Interfaces、Nano Energy 等國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表120余篇SCI論文，并以第一發(fā)明人的身份申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利88項(xiàng)，其中授權(quán)61項(xiàng)；2014年入選國(guó)際電化學(xué)能源科學(xué)院（IAOEES）理事，并擔(dān)任歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃項(xiàng)目評(píng)審專家，同時(shí)擔(dān)任Nature 出版集團(tuán)旗下兩種期刊Scientific Reports (editorial board member)、Frontiers in Energy Research (section Energy Storage)的編委（編輯）及Journal of Nanoscience Letters 的資深編輯。
木士春簡(jiǎn)介
http://www.x-mol.com/university/faculty/47822
課題組網(wǎng)站鏈接
http://jiyikeji.com/ss/shichunmu/index.html
http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=441048&view=springbamboo
科研思路分析
Q：這項(xiàng)研究最初是什么目的？或者說(shuō)想法是怎么產(chǎn)生的？
A：我們致力于電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存材料的研究，圍繞這一方向開(kāi)展了電解水制氫反應(yīng)等催化劑方面的研究，目的是開(kāi)發(fā)廉價(jià)且高活性的電解水制氫催化劑。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，該方向的研究工作鮮有報(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析氫成為大幅降低制氫成本的關(guān)鍵問(wèn)題?；诖讼敕?，我們開(kāi)展了這項(xiàng)工作。
Q：研究過(guò)程中遇到哪些挑戰(zhàn)？
A：該研究中最大的挑戰(zhàn)是如何控制實(shí)驗(yàn)條件形成富磷的金屬磷化物。在這一過(guò)程中，我們?cè)诤铣蛇^(guò)渡金屬磷化物方面的經(jīng)驗(yàn)積累起到了至關(guān)重要的作用。此外，我們的這種合成策略最多只能得到金屬二磷化物，如何得到更高富磷的金屬磷化物仍需進(jìn)一步的研究。
Q：該研究成果可能有哪些重要的應(yīng)用？哪些領(lǐng)域的企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)可能從該成果中獲得幫助？
A：該金屬磷化物催化劑可用于全pH值下電解水制取氫氣，具有與商業(yè)鉑催化劑媲美的析氫活性和優(yōu)于商業(yè)鉑催化劑的穩(wěn)定性，將對(duì)降低電解水制氫的電極極化和能耗產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。