我系吴仁兵、方方团队在高效非贵金属析氢电催化剂 研究方面取得新进展
发布时间:2018-07-03 

近年来,随着化石能源使用带来的环境污染问题日益严重,发展和使用清洁可持续的能源呼声越来越高,氢能作为一种原料丰富、燃烧值高、零污染的清洁能源,被科学家和大众寄予了很高的期望。要想发展氢能技术,不可或缺的一步就在于把水通过电化学反应转换成氢气,但析氢反应所需过电位较高,需要加入催化剂降低过电位,提高反应速率。近日,我系吴仁兵、方方教授团队在高效非贵金属析氢电催化剂方面的最新研究成果:以《超细的钴纳米颗粒包覆在石墨烯嫁接的碳纳米管中作为先进的电催化剂用于析氢反应》(“Ultrafine Co Nanoparticles Encapsulated in Carbon Nanotubes-Grafted Graphene Sheets as Advanced Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction”)为题发表于材料学领域权威期刊《先进材料》(Advanced Materials)(2018, DOI: 10.1002/adma.201802011)。

研究团队突破了现有利用过渡金属纳米材料发展高活性析氢反应电催化剂的瓶颈,创造性地制备了零维钴纳米粒子、一维氮掺杂碳纳米管和二维石墨烯耦合而成的分级复合结构体系,以解决过渡金属如铁、钴、镍纳米颗粒对氢原子的吸附较强而不容易脱附、颗粒易团聚、比表面积低、在电解液的操作环境下不稳定等问题取得了催化活性和稳定性与贵金属铂相接近的研究成果。该文章的第一作者为我系博士研究生陈子亮,吴仁兵和方方教授为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、中组部青年千人计划和复旦大学卓学计划的共同资助。

从水到氢气,也就是析氢反应,只有在高活性的析氢反应电催化剂作用下,才能实现高效、低成本的电解水制氢。目前来说,贵金属铂是表现最为优异的催化剂,但是铂这种元素在地球上存量较少,同时非常昂贵,也就意味着很难投入到规模化应用中去,所以很多研究者希望发展出效果相当的替代品。过渡族金属元素如铁、钴、镍,这些元素虽然有较好的催化性能,但是催化效果与铂相比还有很大差距,同时在这些过渡金属元素的催化过程中会产生如纳米颗粒易团聚从而降低表面活性等问题,所以这一类催化剂的效果并没有令人满意。

Co@N-CNTs@rGO催化剂的(a)扫描电镜图、(b)透射电镜图、(c)高分辨透射电镜图和(d)结构示意图

吴仁兵、方方教授团队针对过渡金属元素作为析氢反应催化剂所出现的问题,展开了科研攻关。该团队以核壳锌基/钴基咪唑酯骨架包覆石墨烯的三明治结构为模板,通过同步热还原、蒸发和碳化,制备了零维钴纳米粒子、一维氮掺杂碳纳米管和二维石墨烯耦合而成的分级复合结构体系。在以往的过渡金属元素作析氢反应催化剂研究工作中,金属元素对氢有较强的吸附能,不易于氢的脱附。。该复合体系通过掺杂的碳调控钴对氢原子的吸附能,同时,在该复合结构体系中,被碳层包裹住的金属纳米粒子不易出现团聚的现象,展现出了十分优异的活性和稳定性。另外,碳层的保护也避免了其他物质如电解液对金属的腐蚀,从而保证氢气稳定可持续地析出。该体系的高导电率、大比表面积、丰富的孔隙率、钴纳米颗粒高分散性以及充分暴露的活性位点(钴--碳),使其作为析氢反应电催化剂时,在酸、碱电解液中的析氢催化活性已接近贵金属铂基催化剂。

Co@N-CNTs@rGO催化剂的(aLSV曲线、(b)塔菲尔斜率、(c)循环稳定性和(dCoCN成分对析氢反应活性影响的理论分析

析氢反应电催化剂研究的突破,既对电解水制氢技术的优化产生了重要推动,也为低成本条件下规模提取更高纯度的氢气提供了可能性,既为更多科学研究提供了一个用廉价元素替代昂贵元素的方向,也将对清洁能源产业特别是氢能利用领域产生较为深远的影响。

 

 

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