基于鈷納米晶的高性能電解水產氫催化劑

楊金龍

（中國科學技術大學化學與材料科學學院，合肥微尺度物質科學國家實驗室，合肥230026）

基于鈷納米晶的高性能電解水產氫催化劑

楊金龍

（中國科學技術大學化學與材料科學學院，合肥微尺度物質科學國家實驗室，合肥230026）

近日，中國科學技術大學馬明明課題組設計了一種由鈷納米晶自組裝形成的納米空心球，可以作為電催化劑在中性水溶液中高效地催化電解水產生氫氣，并且可以在大電流密度下長時間穩定工作，優于商用鉑/碳催化劑的表現。

氫氣是清潔、可再生能源技術的理想能量載體，可通過電解水快速大量制備。使用電化學催化劑可以降低電解水產氫反應的過電勢，從而提高能量轉化效率。目前工業上使用的電解水產氫催化劑多采用以鉑為代表的貴金屬材料，價格昂貴且資源匱乏。利用非貴金屬材料制備低成本、高效能的電解水產氫催化劑是能源、催化和材料領域的研究熱點，并已經取得了重要進展1。但是，目前的電解水產氫催化劑大多需要在強酸或者強堿性電解液中使用，這可能帶來一些環境和安全問題，因此發展可以在中性電解液中工作的高性能產氫電催化劑具有重要的應用價值2。針對這兩點，馬明明課題組力圖設計一種基于非貴金屬的產氫電催化劑，用于在中性水溶液中高效催化電解產氫反應。

貴金屬納米晶（如鉑納米晶）具有納米尺寸效應和表面效應，用作電化學產氫催化劑時，具有很高的催化活性3。但非貴金屬納米晶（如鈷納米晶）的化學穩定性較差，難以直接作為電化學催化劑使用。馬明明課題組利用“犧牲模板法”制備了由直徑為5－10 nm的鈷納米晶自組裝形成的直徑為100 nm的納米空心球（Co-HNP），用一層含鈷、鎢、磷和硼的復合氧化物將鈷納米晶粘結在一起形成球殼，并保護鈷納米晶不被氧化。將這種納米空心球緊密吸附到導電碳布上做成電極，可以既保證鈷納米晶之間以及鈷納米晶與碳布之間有效的電子傳遞，又保持了納米催化劑的高比表面積和尺寸效應，從而實現了電極的高催化活性。另一方面，由于復合氧化物保護層的存在，該催化劑可以在中性水溶液中以150 mA?cm－2的大電流密度產氫20 h而不發生明顯失活；在相同條件下，商用鉑/碳催化劑在3 h產氫后已經發生嚴重失活。由此可見，基于鈷納米晶的納米空心球催化劑，在中性水溶液中兼具高活性和高穩定性，具有優于貴金屬鉑/碳催化劑的性能。

該研究工作最近發表在Angewandte Chemie International Edition上，并被選為內封面進行重點介紹4。這一工作對于設計發展基于非貴金屬納米晶的高性能電化學催化劑有重要意義。

References

（1）Faber，M.S.；Jin，S.Energ.Environ.Sci.2014，7，3519. doi:10.1039/c4ee01760a

（2）Sun，Y.；Liu，C.；Grauer，D.C.；Yano，J.；Long，J.R.；Yang，P.；Chang，C.J.J.Am.Chem.Soc.2013，135，17699.doi:10.1021/ ja4094764

（3）Bai，S.；Wang，C.；Deng，M.；Gong，M.；Bai，Y.；Jiang，J.；Xiong，Y.Angew.Chem.Int.Ed.2014，53，12120.doi:10.1002/ anie.201406468

（4）Liu，B.；Zhang，L.；Xiong，W.；Ma，M.Angew.Chem.Int.Ed. 2016，55，6725.doi:10.1002/anie.201601367

［Highlight］10.3866/PKU.WHXB201605051www.whxb.pku.edu.cn