發布：材料復合新技術國家重點實驗室 時間：2017-07-13
近日，我校材料復合新技術國家重點實驗室木士春教授在電化學制氫方面取得重要進展，研究成果已在國際化學頂級期刊《德國應用化學》上在線發表（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）。
氫被認為是一種理想的能源載體，具有能量密度高、可循環利用和綠色環保等優點，在未來還可廣泛用作燃料電池的能源。電解水制氫由于環境友好、產品純度高以及無碳排放等優點，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，成為限制其大規模應用的最重要瓶頸。這就需要大幅降低電極極化，特別是降低陰極析氫反應的過電位，實現在低電位下的大電流產氫。一直以來，鉑（Pt）基貴金屬催化劑被公認為優異的析氫催化劑，但其較高的成本和資源匱乏的缺點限制了其廣泛應用。因此，研發低成本的電解水制氫催化劑成為近幾年的研究熱點。
過渡金屬二磷化物（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道。因此，如何設計和制備富磷的過渡金屬磷化物并將其用于電催化析氫有利于降低過電位，進而實現在低電位下的大電流產氫成為大幅降低制氫成本的關鍵科學問題。課題組首先通過理論計算，發現氮磷雙摻雜的碳可有效降低富磷的二磷化釕（RuP2）對氫吸附自由能，從而達到與鉑催化劑接近的氫吸附自由能值。進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為核的核殼結構復合納米材料(RuP2@NPC)。該合成方法具有簡單、安全和可規模化制備等優點。所制備的RuP2@NPC復合納米結構在中性、甚至強酸、強堿條件下電解水制氫，均表現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時其過電位僅為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，氮磷雙摻雜碳層可原位包覆在RuP2表面，有效地保護RuP2，從而改善了其電化學穩定性。因此，這種獨特的復合納米結構促使RuP2催化活性及穩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格僅為鉑的4%，展現出了巨大的應用前景。
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。蒲宗華同學自2015年入學以來，在不到兩年的時間里，已經以第一作者身份在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等國際權威期刊上發表SCI論文11篇，總影響因子已超過75。
該項研究獲得了國家自然科學基金(51372186, 51672204)及校“優博”（2016-YB-001）基金的資助。