近年來，隨著化石能源使用帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，發(fā)展和使用清潔可持續(xù)的能源呼聲越來越高，氫能作為一種原料豐富、燃燒值高、零污染的清潔能源，被科學(xué)家和大眾寄予了很高的期望。
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要想發(fā)展氫能技術(shù)，不可或缺的一步就在于把水通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成氫氣，但析氫反應(yīng)所需過電位較高，需要加入催化劑降低過電位，提高反應(yīng)速率。
近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系吳仁兵、方方教授團(tuán)隊(duì)在高效非貴金屬析氫電催化劑方面的最新研究成果：以《超細(xì)的鈷納米顆粒包覆在石墨烯嫁接的碳納米管中作為先進(jìn)的電催化劑用于析氫反應(yīng)》（“Ultrafine Co Nanoparticles Encapsulated in Carbon Nanotubes-Grafted Graphene Sheets as Advanced Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction”）為題發(fā)表于材料學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）（2018, DOI: 10.1002/adma.201802011）。
研究團(tuán)隊(duì)突破了現(xiàn)有利用過渡金屬納米材料發(fā)展高活性析氫反應(yīng)電催化劑的瓶頸，創(chuàng)造性地制備了零維鈷納米粒子、一維氮摻雜碳納米管和二維石墨烯耦合而成的分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，以解決過渡金屬如鐵、鈷、鎳納米顆粒對(duì)氫原子的吸附較強(qiáng)而不容易脫附、顆粒易團(tuán)聚、比表面積低、在電解液的操作環(huán)境下不穩(wěn)定等問題取得了催化活性和穩(wěn)定性與貴金屬鉑相接近的研究成果。該文章的第一作者為材料科學(xué)系博士研究生陳子亮，吳仁兵和方方教授為共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中組部青年千人計(jì)劃和復(fù)旦大學(xué)卓學(xué)計(jì)劃的共同資助。
從水到氫氣，也就是析氫反應(yīng)，只有在高活性的析氫反應(yīng)電催化劑作用下，才能實(shí)現(xiàn)高效、低成本的電解水制氫。目前來說，貴金屬鉑是表現(xiàn)最為優(yōu)異的催化劑，但是鉑這種元素在地球上存量較少，同時(shí)非常昂貴，也就意味著很難投入到規(guī)模化應(yīng)用中去，所以很多研究者希望發(fā)展出效果相當(dāng)?shù)奶娲贰＿^渡族金屬元素如鐵、鈷、鎳，這些元素雖然有較好的催化性能，但是催化效果與鉑相比還有很大差距，同時(shí)在這些過渡金屬元素的催化過程中會(huì)產(chǎn)生如納米顆粒易團(tuán)聚從而降低表面活性等問題，所以這一類催化劑的效果并沒有令人滿意。
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吳仁兵、方方教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)過渡金屬元素作為析氫反應(yīng)催化劑所出現(xiàn)的問題，展開了科研攻關(guān)。該團(tuán)隊(duì)以核殼鋅基/鈷基咪唑酯骨架包覆石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)為模板，通過同步熱還原、蒸發(fā)和碳化，制備了零維鈷納米粒子、一維氮摻雜碳納米管和二維石墨烯耦合而成的分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)體系。在以往的過渡金屬元素作析氫反應(yīng)催化劑研究工作中，金屬元素對(duì)氫有較強(qiáng)的吸附能，不易于氫的脫附。。該復(fù)合體系通過摻雜的碳調(diào)控鈷對(duì)氫原子的吸附能，同時(shí)，在該復(fù)合結(jié)構(gòu)體系中，被碳層包裹住的金屬納米粒子不易出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象，展現(xiàn)出了十分優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性。另外，碳層的保護(hù)也避免了其他物質(zhì)如電解液對(duì)金屬的腐蝕，從而保證氫氣穩(wěn)定可持續(xù)地析出。該體系的高導(dǎo)電率、大比表面積、豐富的孔隙率、鈷納米顆粒高分散性以及充分暴露的活性位點(diǎn)（鈷-氮-碳），使其作為析氫反應(yīng)電催化劑時(shí)，在酸、堿電解液中的析氫催化活性已接近貴金屬鉑基催化劑。
析氫反應(yīng)電催化劑研究的突破，既對(duì)電解水制氫技術(shù)的優(yōu)化產(chǎn)生了重要推動(dòng)，也為低成本條件下規(guī)模提取更高純度的氫氣提供了可能性，既為更多科學(xué)研究提供了一個(gè)用廉價(jià)元素替代昂貴元素的方向，也將對(duì)清潔能源產(chǎn)業(yè)特別是氫能利用領(lǐng)域產(chǎn)生較為深遠(yuǎn)的影響。
文章來源：復(fù)旦大學(xué)官網(wǎng)
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