氫能源是一種清潔、高效、可再生的理想能源，電解水制氫是實現(xiàn)工業(yè)化廉價制備氫氣的重要手段。電解水過程包含析氫和析氧兩個半反應，其中由于析氧反應過程在動力學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，其高昂的價格和稀有的儲量制約了這一過程的發(fā)展，尋找價格低廉和儲量豐富的非貴金屬催化劑成為近年來研究的熱點。近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室鄧德會副研究員和包信和院士帶領的研究團隊在長期深入研究碳納米材料催化的基礎上，利用SBA-15的孔道對金屬納米顆粒尺寸的限域作用，通過化學氣相沉積法成功實現(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展
理論計算和實驗研究表明，單層的石墨烯殼層極大地促進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和催化活性，同時，由于石墨烯殼層對金屬納米粒子的保護，有效避免了強堿等苛刻環(huán)境對金屬的腐蝕。催化這一過程的“電子穿透”的概念由該研究團隊于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可，國際上多個研究組已開始跟進研究，被形象描述成為催化劑“穿鎧甲”(chainmail for catalyst)。近年來，該研究團隊在該領域不斷取得新進展，先后從實驗和理論上發(fā)現(xiàn)和驗證了石墨烯“鎧甲”厚度對非貴金屬的“電子穿透”能力，對酸性質(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機理 (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碳層表面電子結(jié)構(gòu)的調(diào)變，并結(jié)合理論計算闡明了金屬-碳相互作用的本質(zhì)(Chem. Sci. 2015, 6, 3262)，逐漸形成了一個較為完整的概念。
以上研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院納米先導專項和教育部能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心 (2011 iChEM) 的資助。