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化学与材料科学学院教师在电解水制氢的研究中取得重要进展

我校化科院戴志晖教授课题组、包建春教授课题组与李亚飞教授课题组合作在多重异质纳米结构的设计合成及其双功能电催化HER应用研究方面取得重要突破。相关成果以“Ru Modulation Effects in the Synthesis of Unique Rod-like [email protected] Heterostructures and Their Remarkable Electrocatalytic Hydrogen Evolution Performance”为题发表在J. Am. Chem. Soc.(美国化学会志)上。论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b12615。J. Am. Chem. Soc.是目前化学领域最具影响力的刊物之一,2017年影响因子为13.8。

氢能具有安全环保、能量密度大、转化效率高、储量丰富等特点,是发展前景良好的高效替代可再生新能源。电催化水解(HER)是一种绿色、高效的产氢方式。为了大规模的制备氢气,需要高效的催化剂来降低HER反应的活化能,提高能量转换效率。尽管铂(Pt)是公认的最有效的HER催化剂,但高昂的价格限制了其大规模应用。为了解决这个问题,人们将研究的重点集中在地球储量丰富的非Pt基电催化剂。其中,过渡金属磷化物是一类很具吸引力的HER催化剂,但性能和商业化20% Pt/C仍有一定的差距。一种理想的HER电催化剂应该有接近0的氢吸附自由能(△GH)值和好的导电性。而Ru拥有与Pt相似的氢键合强度和好的导电性,但是目前报道的Ru基材料多用于氨合成和苯加氢,在电催化领域的应用较少。

基于上述分析,戴志晖教授课题组、包建春教授课题组与李亚飞教授课题组合作,首先通过密度泛函理论计算考察了Ni2P-Ru催化剂的氢吸附自由能,发现Ru的引入可以很好的优化HER过程中中间态H*的吸附自由能(△GH*),加速HER过程。有趣的是,实验发现Ru的引入不仅优化了△GH,而且可以自发地调节Ni的磷化过程,得到多重异质的[email protected](金属-磷化物-金属)棒状纳米结构。为了进一步探究Ru对实验得到金属-磷化物-金属纳米结构的调节机理,对[email protected]产物进行了同步辐射分析。结果表明,纳米棒表面的Ru与金属Ni核存在配位作用,使得Ni不容易被磷化,因此形成了多重异质的[email protected]纳米结构。该纳米结构在酸性和碱性条件下表现出优于单一Ni2P和Ru组分的电催化HER双功能性,且和商业化20% Pt/C的性能相当。本研究工作所提出的催化剂设计策略还可以延伸应用到其他相似的过渡金属磷化物和贵金属体系,为电催化领域的发展提供了新的思路。

本论文的第一作者为化科院2017级博士生刘影。刘影同学2015年被推免至南师大化科院攻读硕士学位,并于2017年作为学校发展计划直博。两年多的时间已经以第一作者身份在J. Am. Chem. Soc., J. Mater. Chem. A和ACS Appl. Mater. Interfaces(共同一作)杂志上共发表学术论文3篇,并以合作作者身份在Adv. Mater.、Chem. Commun.、Anal. Chem.等国际顶尖学术期刊上发表多篇研究论文。先后获得南京师范大学博士学术新人奖,优秀研究生荣誉称号,多次获得南京师范大学一等学业奖学金等一系列奖项。

发布时间:2018/03/23