氫能源是一種清潔、高效、可再生的理想能源，電解水制氫是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化廉價(jià)制備氫氣的重要手段。電解水過程包含析氫和析氧兩個(gè)半反應(yīng)，其中由于析氧反應(yīng)過程在動(dòng)力學(xué)上的困難性成為了電解水制氫的瓶頸。目前商用的析氧催化劑主要為IrO2和RuO2等貴金屬，其高昂的價(jià)格和稀有的儲(chǔ)量制約了這一過程的發(fā)展，尋找價(jià)格低廉和儲(chǔ)量豐富的非貴金屬催化劑成為近年來研究的熱點(diǎn)。近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄧德會(huì)副研究員和包信和院士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在長期深入研究碳納米材料催化的基礎(chǔ)上，利用SBA-15的孔道對(duì)金屬納米顆粒尺寸的限域作用，通過化學(xué)氣相沉積法成功實(shí)現(xiàn)了均一的單層石墨烯殼層封裝3d過渡金屬及其合金納米粒子，所制得的單層石墨烯封裝鐵鎳合金催化劑的活性和穩(wěn)定性均優(yōu)于商品的IrO2催化劑。相關(guān)結(jié)果以通訊形式發(fā)表在Energy & Environmental Science上 (Energy Environ. Sci., 2016,DOI: 10.1039/C5EE03316K)。
大連化物所電解水催化劑的貴金屬替代研究取得新進(jìn)展
理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，單層的石墨烯殼層極大地促進(jìn)了電子從金屬向石墨烯的轉(zhuǎn)移，從而有效地調(diào)變了石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，激發(fā)了石墨烯碳層的化學(xué)和催化活性，同時(shí)，由于石墨烯殼層對(duì)金屬納米粒子的保護(hù)，有效避免了強(qiáng)堿等苛刻環(huán)境對(duì)金屬的腐蝕。催化這一過程的“電子穿透”的概念由該研究團(tuán)隊(duì)于2013年首次提出(Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 371)，相關(guān)原理已得到國際同行的廣泛認(rèn)可，國際上多個(gè)研究組已開始跟進(jìn)研究，被形象描述成為催化劑“穿鎧甲”(chainmail for catalyst)。近年來，該研究團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域不斷取得新進(jìn)展，先后從實(shí)驗(yàn)和理論上發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證了石墨烯“鎧甲”厚度對(duì)非貴金屬的“電子穿透”能力，對(duì)酸性質(zhì)子交換膜燃料電池中陰極氧還原活性 (J. Mater. Chem. A 2013, 1, 14868)，以及酸性電解水析氫反應(yīng)活性 (Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2100) 的影響；提出了該類催化劑在酸性條件下催化電解水析氫的反應(yīng)機(jī)理 (Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1919)；與他人合作發(fā)現(xiàn)該類催化劑用作染料敏化太陽能電池的對(duì)電極材料，表現(xiàn)出了比貴金屬Pt更為優(yōu)異的I3- 還原活性 (Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 7023)；利用Soft X-ray成像技術(shù)直接觀察到活性金屬對(duì)碳層表面電子結(jié)構(gòu)的調(diào)變，并結(jié)合理論計(jì)算闡明了金屬-碳相互作用的本質(zhì)(Chem. Sci. 2015, 6, 3262)，逐漸形成了一個(gè)較為完整的概念。
以上研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院納米先導(dǎo)專項(xiàng)和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心 (2011 iChEM) 的資助。