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随着化石能源日渐枯竭，氢气已经成为了最有前景的有望替代化石燃料的可再生能源。电催化水分解作为最经济的制氢方式之一越来越受到人们的重视，该催化过程同时涉及析氢反应与析氧反应，为了加快反应速率，亟需发展高活性、低过电势的电催化剂。贵金属催化剂在水分解反应中的效果很好，但由于其价格昂贵，不能被广泛使用，因而寻找高性能的非贵金属材料来替代传统的贵金属催化剂至关重要。目前，设计协同复合材料实现催化性能的提升一般都是通过添加碳材料例如石墨烯、碳纳米管等促进电荷转移来提升析氢反应速率，关于氢析出反应机理方面的研究甚少，其中通过加速氢析出的两个动力学过程来提升催化性能的研究鲜有报道。在电催化水分解中，碱性条件相较于酸性条件更加经济实用，因此设计一种高效、廉价的碱性条件下水分解催化剂仍是一个巨大的挑战。
珍珠薯片
近期，武汉大学化学与分子科学学院付磊教授课题组设计了一种纳米Ni5P4团簇镶嵌的NiCo2O4纳米片复合催化剂（“珍珠薯片”结构），在碱性条件下水电解过程中表现出了较好的催化性能。他们先通过水热反应和空气煅烧得到了NiO镶嵌的NiCo2O4纳米片，再通过一个低温磷化过程将NiO转化成Ni5P4，从而得到了该催化剂。基于碱性环境下的氢析出反应机理，他们证明了NiCo2O4与Ni5P4分别在电化学析氢反应过程中的水分子分裂过程（Volmer step）以及氢脱附过程（Tafel step）中起到了促进作用，从而协同实现了碱性环境下的高效产氢。最终，该催化剂在1.0 M KOH溶液中的起始电位低至−15 mV，10 mA cm−2时对应的过电势仅为27 mV，且Tafel斜率仅为27mV dec−1，优于已报道的其他氢析出催化剂。此外其稳定性极好，经过4000次循环伏安扫描或45小时的恒电流反应后性能仍保持良好。此外，该催化剂对析氧反应也有很好的催化性能并可用于电催化全解水 该工作为碱性条件下的电催化水分解反应的效率提升提出了一种切实可行的解决方案，且新颖的纳米团簇镶嵌的复合结构催化剂的设计为其他类似结构催化剂的探索提供了新的思路。该工作以封面形式发表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201801690）上。
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发表于 2018-11-13 08:55:58
