曹荣、曹敏纳：核壳合金纳米催化剂电催化全解水研究取得新进展

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随着质子交换膜电解池（PEMWEs）的发展，在酸性条件下水解制氢被认为是高效转化可持续氢能最有前景的方式。电解水包括两个半反应：阳极的析氧反应（OER）和阴极的析氢反应（HER）。酸性条件下，与Pt基催化剂在低过电位具有良好的HER性能相比，阳极的OER反应动力学缓慢和催化剂的快速失活，成为PEMWEs实际应用的最大瓶颈。

　　核壳合金纳米颗粒的结构示意图及其电解水催化性能

　　在国家自然科学基金、国家重点项目、中科院战略性先导科技专项、前沿科学重点研究项目和福建省自然科学基金的支持下，福建物质结构研究所曹荣研究员和曹敏纳研究员研究团队设计并合成了表面部分氧化的Au@AuIr2核壳合金纳米催化剂，该材料表现出优异的电催化分解水的性能。Ir基纳米材料作为酸性条件下最有效的OER催化剂被广泛研究，尤其是在不牺牲催化活性和稳定性的基础上提高原子利用率以最大化利用存储稀少的贵金属，以期能够满足商业化需求。在酸性条件下，Au@AuIr2表现出优异的催化活性，其本征活性和质量活性分别是市售Ir催化剂的4.6和5.6倍。此外，Au@AuIr2还显示出了可与市售Pt/C相当的HER催化性能。更重要的是，当使用Au@AuIr2作为阳极和阴极催化剂用于全解水时，在1.55 V的工作电压下就可达到10 mA/cm2，并能够保持这种活性达40小时，远远优于商业Ir/C||Pt/C（1.63 V，活性在数分钟内下降）以及目前文献报道的绝大多数催化材料。利用X-射线吸收光谱和理论计算，证实Au和Ir之间的电子相互作用导致部分氧化表面的产生，部分氧化的表面为不同的中间体结合提供了平衡，并实现了显著增强的OER性能。在结构表征和性能测试结果的基础上，中国科学院福建物质结构研究所庄巍课题组研究团队的陈浙宁副研究员通过密度泛函理论计算（DFT）进一步验证了相对于表面无氧化的催化剂而言，表面部分氧化的Au@AuIr2核壳合金纳米颗粒具有更有效的OER催化性能。该工作从原子尺度上实现了核壳合金纳米结构以及电子结构的调控，有助于理解催化剂结构与性能之间的构效关系，为材料设计提供了思路，通过表面氧化和材料组成的合理设计可以使不同中间体的结合达到适当的平衡，不仅更大限度的提升了催化剂的活性，稳定性也极大的提升了贵金属催化剂的利用效率。该论文第一作者为博士研究生王慧敏，研究成果发表在Journal of the American Chemical Society并被编辑选为该期的Supplementary Cover Graphic（DOI：10.1021/jacs.0c12740）。
　　文章链接：https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c12740
         文章来源：福建物构所
        曹荣，男，1966年8月生于福建长汀。现为中国科学院福建物质结构研究所所长、研究员、博士生导师、学术委员会副主任、学位评定委员会副主任；结构化学国家重点实验室学术委员会委员；《中国化学》、《无机化学学报》、《结构化学》编委，1986年毕业于中国科学技术大学近代化学系，1989年获中国科学院福建物质结构研究所硕士学位，1993年获中国科学院福建物质结构研究所博士学位后分配在物构所工作，1994年7月晋升为副研究员，1998年2月晋升为研究员、11月获博士生导师资格，曾在香港理工大学应用生物及化学科技系做博士后、日本名古屋大学物质科学国际研究中心做日本学术振兴会（JSPS）特别研究员。2002入选中国科学院福建物质结构研究所“百人计划”，2003年获国家杰出青年基金，2004年获政府特殊津贴，2006年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选。曾获中国青年科技奖（2006年）、中国化学会青年化学奖（1998年）、福建省青年科技奖（1998年）、运盛（福建）青年科技奖（2003年），作为主要完成者获国家自然科学奖二等奖一次（2002年，排名第三），中国科学院自然科学奖一等奖一次（2001年，排名第三）、二等奖一次（2000年，排名第二），发表SCI论文170多篇，论文被他人引用超过1600次。主要研究领域为无机-有机杂化材料及超分子化学、纳米分子材料、有机-无机复合膜及介孔材料等。承担了国家973计划、国家杰出青年基金、中科院“百人计划”、国家自然科学基金重大项目、重点项目、面上项目、青年项目、省自然科学基金重点项目、中国科学院重要方向性项目等多项研究课题。
       曹敏纳，女，研究员。2011年6月毕业于中国科学技术大学获得博士学位。2011年6月到2013年11月在中国科学院福建物质结构研究所从事博士后研究，随后留所工作聘为副研究员，2020年1月聘为研究员。至今发表多篇学术论文，多项专利获得授权。作为负责人主持了包括博士后资助面上项目以及特别资助项目，国家自然科学青年基金和国家自然科学面上基金项目。