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(yīng)，其中由于析氧反應(yīng)過程在動力學(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(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室副研究員鄧德會和中國科學(xué)院院士包信和帶領(lǐng)的研究團隊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）。
 

   
大連化物所在電解水催化劑的貴金屬替代研究中取得進展
 

    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(xué)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(rèn)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(lǐng)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(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。

責(zé)任編輯：班英飛

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