催化劑結構及電催化析氫反應示意圖
近年來, 電解水制氫受到學術界廣泛關注, 尋找廉價高效的非鉑電催化劑成為時下研究熱點. 作為當下 '明星材料' 的石墨烯具有導電性好, 耐腐蝕等優點, 科研人員致力於將其開發為高活性酸性析氫電催化劑, 然而很多碳基催化劑的活性與貴金屬相比有很大差距, 如何將石墨烯碳基材料開發成高活性電催化劑是熱點課題. 近日, 中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學與材料科學學院材料系教授陳乾旺課題組, 以貴金屬銥摻雜的金屬有機框架材料作為前驅體, 一步煆燒製備了氮摻雜的類石墨烯層包裹銥鈷合金核殼結構材料, 在酸性電解質析氫反應中表現出高活性和高穩定性, 相關研究成果發表在《先進材料》上.
銥鈷合金可向表面活性位點轉移電子, 銥鈷合金錶麵包覆的氮摻雜的石墨烯層類似 '鎧甲' , 利於防止合金內核被酸腐蝕. 作為酸性析氫電催化劑 (其中銥的含量僅為1.56wt.%) , 其塔菲爾斜率僅為23mV/dec, 達到10mA/cm2電流密度時其過電位僅為24mV, 顯示出與商用的20%Pt/C電催化劑可比的電催化析氫性能. 密度泛函理論類比計算髮現, 氮摻雜原子近鄰的碳原子是電催化反應的活性位點, 銥的引入促進了電子向類石墨烯層表面遷移, 降低了活性位點的氫吸附自由能. 材料的表面結構表徵和元素成分成像分析等, 揭示了氮元素摻雜量的增加以及銥元素在合金內核表面的富集有利於催化劑性能的提升. 該工作為今後尋找更為廉價, 高效的電催化析氫催化劑提供了新思路.
研究工作得到了國家自然科學基金委, 中科院和教育部中央高校基本科研業務費等的支援.
