一種利用精確納米組裝結構調控水下產氣速率的普適方法

俞書宏

中國科學技術大學化學系，合肥 230026

條帶結構用于水下產氣和條帶電極電催化產氫的優勢。

由于能源氣體如氫氣(H2)1，一氧化碳(CO)2和氧氣(O2)3在可持續和高效能源系統中的潛在應用，目前正引起全世界的關注。目前大多數工作都致力于設計和研發高效的催化劑以達水下高效電催化產氣的效果，例如設計特殊晶體構型的金屬及金屬氧化物4，碳材料負載少量的貴金屬等等5。大多數制備的催化劑是以滴涂的方式在電極表面生成薄膜，在優化后的電壓條件下進行電解。除了考慮異相催化劑的反應活性，在水下生成的氣體產物會黏附在催化劑膜的表面6，影響反應物與催化劑的傳質過程，同時生成的大尺寸氣泡會繼續黏附在催化劑表面7，生成許多非活性位點，減小了催化劑的反應面積。催化劑的穩定性是工業生產順利進行的條件。黏附生長的氣泡直至浮力大于黏附力時才能脫離催化劑表面，此時會對催化劑膜產生較大的拉力，經長時間電解后，催化劑由于氣泡的持續作用力會從電極表面脫落，最終會影響催化效果。因此從該變催化劑膜的角度出發，設計催化體系既能加快反應速率又能保持催化劑長久物理穩定性是解決問題的關鍵。

近日，中國科學院化學研究所王鐵研究員等人在前期模板輔助的打印策略組裝工作的基礎上(Advanced Materials)8，將膠束型的納米顆粒成功組裝成條帶狀的微結構，與傳統的滴涂薄膜相比實現了更快的產氣速率和更高的物理穩定性，相關工作發表在Journal of the American Chemical Society上9。作者通過小角X射線衍射證實了微結構呈現長程有序的超晶格結構。通過改變模板的參數，可以調控條帶間的間隙寬度。

作者首先將鉑(Pt)納米顆粒組裝成條帶結構(Pt SP)用于電催化產氫，證實了窄間隙的Pt SP5在酸性條件下的產氫速率是直接滴涂的Pt NPs薄膜的5.16倍。作者利用高速攝像機探究了反應過程中氣泡生長行為，發現氣泡在窄間隙的Pt SP5上是以類似“Cassie”狀態生長并且快速脫離，而當條帶間隙增大后，氣泡以“Wenzel”狀態陷入間隙中，并且越長越大直至浮力大于黏附力時才脫離催化劑表面。結合動態拉伸儀和理論分析，證實氣泡在Pt SP5表面的黏附力僅有～2 μN，且Pt SP5具有更好的應力分散效果10，因此與滴涂的Pt NPs薄膜相比，Pt SP5這種條帶電極展現了更好的物理穩定性。此外，模板輔助打印技術的優勢使組成納米顆粒或分子的組成、大小和形狀具有很大的靈活性，因此具有通用性，有望用于析氧反應(OER)和二氧化碳電化學還原生產CO。