水解製氫催化材料研究獲重要進展

據北京大學新聞網報道：北大工學院鄒如強課題組近期在穩定高效電解水製氫催化劑材料研究中取得重要進展，在材料與能源領域著名期刊《先進能源材料》發表題為“Metal-Organic Frameworks Derived Cobalt Phosphide Architecture Encapsulated into B/N Co-Doped Graphene Nanotubes for All pH Value Electrochemical Hydrogen Evolution”的文章。

進入21世(shi)紀(ji)以(yi)來(lai)，傳(chuan)統(tong)化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)的(de)枯(ku)竭(jie)與(yu)高(gao)汙(wu)染(ran)帶(dai)來(lai)的(de)環(huan)境(jing)問(wen)題(ti)成(cheng)為(wei)全(quan)球(qiu)共(gong)同(tong)麵(mian)對(dui)的(de)挑(tiao)戰(zhan)
，開(kai)發(fa)新(xin)型(xing)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)勢(shi)在(zai)必(bi)行(xing)。氫(qing)具(ju)有(you)高(gao)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)
，其(qi)本(ben)身(shen)無(wu)毒(du)
，燃(ran)燒(shao)產(chan)物(wu)隻(zhi)生(sheng)成(cheng)水(shui)
，基(ji)於(yu)氫(qing)燃(ran)料(liao)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)最(zui)有(you)發(fa)展(zhan)前(qian)景(jing)的(de)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)。電(dian)解(jie)水(shui)析(xi)氫(qing)是(shi)目(mu)前(qian)最(zui)有(you)效(xiao)的(de)製(zhi)氫(qing)方(fang)法(fa)，為(wei)降(jiang)低(di)過(guo)電(dian)勢(shi)、提高反應速率
，電催化劑的應用必不可少。高效電解水需要用到昂貴的貴金屬催化劑和對設備腐蝕嚴重的強酸性電解液
，這使得高成本
、低產出與安全性問題成為了主要的製約因素。電解水產氫的另一大優勢在於原料來源廣泛
，各種酸堿性電解液、工業廢水以及海水都可作為天然的製氫原料，這就需要催化劑在全pH電解液中都表現出高催化活性。傳統貴金屬催化劑在酸性電解液中活性較高，而在中性和堿性電解液中表現較差。因此
，開發廉價
、穩定、安全
、高效的全pH新型催化劑成為了當前的研究熱點。

zouruqiangketizujinqibaodaoleyizhongjiandandewucuihuajifangfazhibeipengdangongchanzashimoxinamiguancailiaodexinfangfa
，tongguogaowengongrejie
，tiaozhengtanyuanqianqutijuyierchundefenziliang，keyibukongzhishengchengpengdangongchanzashimonamiguancailiao，gaicailiaojuyoulianghaodedaodianxinghecuihuahuoxing
，tongshiqifengfudezayuanzijituankeweiqitagongnenghuanamikelitigonglianghaodefuzhedian，shiyizhonglixiangdejidicailiao（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16469-16475，http://pubs.rsc.org/-/content/articlehtml/2016/ta/c6ta07214c）。課題組進一步在製備硼氮共摻雜石墨烯納米管的過程中引入鈷基金屬有機骨架（MOFs）為前驅體模板，設計合成了一種硼氮共摻雜石墨烯納米管（BCN）包裹磷化鈷納米顆粒的複合材料（CoP@BCN），用作電解水析氫反應的催化劑。作為前驅體的MOFs、聚乙二醇以及硼源和氮源經均勻混合，通過共熱解法一步合成Co@BCN複合材料
，進一步磷化得到CoP@BCN。該方法得到的CoP納米顆粒被保護性碳層覆蓋，並包裹在BCN納米管內，有效防止了團聚和電解液腐蝕。它在酸性、中性和堿性條件下達到10mA cm^-2電流密度時的過電勢分別為87
、122和215毫伏，法拉第效率分別為99.5%、76.7%和88.5%，表現出了極高的電催化活性和穩定性。

硼氮共摻雜石墨烯納米管包覆磷化鈷納米顆粒複合結構合成示意圖

該成果展示了一種簡單製備高效氫析出催化劑的策略
，並為未來的複合型催化劑設計及解決穩定性問題提供了新思路。相關文章發表於Advanced Energy Materials
，並於當期Inside Front Cover進行簡要介紹。該工作也被Wiley旗下MaterialsViews專文報告。

CoP@BCN複合結構電解水製氫

zouruqiangketizuchangqizhiliyujinshuyoujigujiayanshengfuhecailiaodeshejihechengjiqizainengyuanlingyudeyingyongfangmiandeyanjiu，bingqudexiliejinzhan。yijinshuyoujigujiaweiqianqutizhibeidefeiguijinshucuihuajizaizhongduolingyudoubiaoxianchujudadeyingyongqianjing，youwangqudaiguijinshujicuihuaji，jinnianlaichengweinengyuanyucuihualingyudeyanjiuredian。

該項研究工作得到國家自然科學基金
、國家“萬人計劃”青年拔尖人才、北京市科委等項目的資助。