基于鈷納米晶的高性能電解水產(chǎn)氫催化劑

楊金龍

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室，合肥230026）

基于鈷納米晶的高性能電解水產(chǎn)氫催化劑

楊金龍

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室，合肥230026）

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬明明課題組設(shè)計了一種由鈷納米晶自組裝形成的納米空心球，可以作為電催化劑在中性水溶液中高效地催化電解水產(chǎn)生氫氣，并且可以在大電流密度下長時間穩(wěn)定工作，優(yōu)于商用鉑/碳催化劑的表現(xiàn)。

氫氣是清潔、可再生能源技術(shù)的理想能量載體，可通過電解水快速大量制備。使用電化學(xué)催化劑可以降低電解水產(chǎn)氫反應(yīng)的過電勢，從而提高能量轉(zhuǎn)化效率。目前工業(yè)上使用的電解水產(chǎn)氫催化劑多采用以鉑為代表的貴金屬材料，價格昂貴且資源匱乏。利用非貴金屬材料制備低成本、高效能的電解水產(chǎn)氫催化劑是能源、催化和材料領(lǐng)域的研究熱點，并已經(jīng)取得了重要進展1。但是，目前的電解水產(chǎn)氫催化劑大多需要在強酸或者強堿性電解液中使用，這可能帶來一些環(huán)境和安全問題，因此發(fā)展可以在中性電解液中工作的高性能產(chǎn)氫電催化劑具有重要的應(yīng)用價值2。針對這兩點，馬明明課題組力圖設(shè)計一種基于非貴金屬的產(chǎn)氫電催化劑，用于在中性水溶液中高效催化電解產(chǎn)氫反應(yīng)。

貴金屬納米晶（如鉑納米晶）具有納米尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，用作電化學(xué)產(chǎn)氫催化劑時，具有很高的催化活性3。但非貴金屬納米晶（如鈷納米晶）的化學(xué)穩(wěn)定性較差，難以直接作為電化學(xué)催化劑使用。馬明明課題組利用“犧牲模板法”制備了由直徑為5－10 nm的鈷納米晶自組裝形成的直徑為100 nm的納米空心球（Co-HNP），用一層含鈷、鎢、磷和硼的復(fù)合氧化物將鈷納米晶粘結(jié)在一起形成球殼，并保護鈷納米晶不被氧化。將這種納米空心球緊密吸附到導(dǎo)電碳布上做成電極，可以既保證鈷納米晶之間以及鈷納米晶與碳布之間有效的電子傳遞，又保持了納米催化劑的高比表面積和尺寸效應(yīng)，從而實現(xiàn)了電極的高催化活性。另一方面，由于復(fù)合氧化物保護層的存在，該催化劑可以在中性水溶液中以150 mA?cm－2的大電流密度產(chǎn)氫20 h而不發(fā)生明顯失活；在相同條件下，商用鉑/碳催化劑在3 h產(chǎn)氫后已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重失活。由此可見，基于鈷納米晶的納米空心球催化劑，在中性水溶液中兼具高活性和高穩(wěn)定性，具有優(yōu)于貴金屬鉑/碳催化劑的性能。

該研究工作最近發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上，并被選為內(nèi)封面進行重點介紹4。這一工作對于設(shè)計發(fā)展基于非貴金屬納米晶的高性能電化學(xué)催化劑有重要意義。

References

（1）Faber，M.S.；Jin，S.Energ.Environ.Sci.2014，7，3519. doi:10.1039/c4ee01760a

（2）Sun，Y.；Liu，C.；Grauer，D.C.；Yano，J.；Long，J.R.；Yang，P.；Chang，C.J.J.Am.Chem.Soc.2013，135，17699.doi:10.1021/ ja4094764

（3）Bai，S.；Wang，C.；Deng，M.；Gong，M.；Bai，Y.；Jiang，J.；Xiong，Y.Angew.Chem.Int.Ed.2014，53，12120.doi:10.1002/ anie.201406468

（4）Liu，B.；Zhang，L.；Xiong，W.；Ma，M.Angew.Chem.Int.Ed. 2016，55，6725.doi:10.1002/anie.201601367

［Highlight］10.3866/PKU.WHXB201605051www.whxb.pku.edu.cn