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作者?| TG

氫能作為一種新型可再生能源和清潔能源，具有能量密度大、轉(zhuǎn)化效率高、儲量豐富和對環(huán)境無污染等特性，得到了人們廣泛關(guān)注。堿性條件下電催化分解水產(chǎn)氫（HER）作為一種簡便高效的制氫方法被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及相關(guān)特種行業(yè)。

堿性HER反應(yīng)主要包括兩個連續(xù)過程：（1）解離水分子（Volmer步驟）補充所需H+；（2）還原材料表面吸附的H+產(chǎn)生氫氣。其中，水解離Volmer過程是堿性條件下HER催化反應(yīng)過程的速率限制步驟。

為了提高HER反應(yīng)動力學(xué)，發(fā)展高活性、低成本的可替代商業(yè)Pt/C的非貴金屬電催化劑對于降低HER反應(yīng)動力學(xué)過電位，同時實現(xiàn)電催化水分解制氫的大規(guī)模器件化具有重大意義。此外，進(jìn)一步探究材料的電催化活性位點并理解其催化反應(yīng)機制，將為發(fā)展高效的非貴金屬堿性電解水制氫催化劑提供重要理論基礎(chǔ)。

近日，浙江大學(xué)侯陽課題組在堿性電解水析氫反應(yīng)研究中取得重要進(jìn)展。研究人員采用水熱自組裝和高溫裂解耦合技術(shù)，構(gòu)建出一種金屬-氮摻雜的納米碳包裹金屬粒子復(fù)合材料并對其電催化水裂解析氫性能進(jìn)行了詳盡研究。在該復(fù)合體系中，原子級分散Ni-N結(jié)構(gòu)摻雜的納米碳材料包覆顆粒尺寸為25~50 nm的金屬Ni納米粒子，形成了一個具有較高比表面積（140 m²g^?1）的雜化超級結(jié)構(gòu)。

電催化析氫活性研究表明，該Ni NP|Ni-N-C/EG電極在堿性環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的析氫催化活性。在電流密度達(dá)到10 mA cm^-2時，其電化學(xué)析氫過電勢僅為147 mV，其性能可與目前報道最佳的異質(zhì)原子（金屬或/和非金屬）摻雜納米碳催化材料相媲美，甚至優(yōu)越于部分過渡金屬化合物基電催化劑。此外，Ni NP|Ni-N-C/EG電極的Tafel斜率為114 mV/dec，小于Ni-N-C/EG電極的183 mV/dec，展現(xiàn)出更快的反應(yīng)動力學(xué)特性。

研究者采用球差校正掃描透射電子顯微鏡、SCN-中毒實驗、X射線近邊吸收光譜和擴展X射線吸收光譜等手段，證明了Ni NP|Ni-N-C/EG催化材料中原子級分散的Ni-N結(jié)構(gòu)摻雜的納米碳材料作為催化活性中心。理論計算結(jié)果闡明，金屬Ni納米粒子的存在優(yōu)化了Ni-N摻雜納米碳表面的電荷分布，降低了HER反應(yīng)過程中水解離步驟的能量勢壘，極大地加速了堿性析氫反應(yīng)的質(zhì)子動力學(xué)過程，從而導(dǎo)致其高效的電催化性能和優(yōu)良穩(wěn)定性。

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這項工作不僅設(shè)計并開發(fā)出一種高效穩(wěn)定的原子級金屬-氮-碳包覆金屬納米顆粒電催化劑，還為如何設(shè)計低成本高活性人工固氮、二氧化碳轉(zhuǎn)化和氧還原催化材料的設(shè)計提供了新的思路。

工作得到了國家自然科學(xué)基金和浙江大學(xué)“百人計劃”啟動基金等項目的支持。相關(guān)論文以“Efficient Alkaline Hydrogen Evolution on Atomically Dispersed Ni–Nx Species Anchored Porous Carbon with Embedded Ni Nanoparticles by Accelerating Water Dissociation Kinetics”為題發(fā)表在國際能源環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊Energy and Environmental Science（影響因子30.067）上。該項成果由浙江大學(xué)、德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)及華中師范大學(xué)合作完成。論文第一作者為浙江大學(xué)碩士研究生雷超君。浙江大學(xué)為該論文的第一及通訊作者單位。

文獻(xiàn)信息：

Efficient Alkaline Hydrogen Evolution on Atomically Dispersed Ni–Nx Species Anchored Porous Carbon with Embedded Ni Nanoparticles by Accelerating Water Dissociation Kinetics. Energy and Environmental Science, 2018,?

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https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee01841c#!divAbstract

侯陽課題組主頁：http://mypage.zju.edu.cn/yhou