化学所开发出新型高效电解水催化剂

据中国科学院网站报道：氢能是一种理想的能源载体，开发大规模、廉价、清洁、高效的制氢技术是氢能有效利用的关键。电解水由于环境友好、产品纯度高以及无碳排放而成为具有应用前景的绿色制氢方法之一。限制电解水制氢大规模应用的最重要瓶颈是如何大幅降低其电能消耗，因而大幅降低制氢成本。其关键是如何有效降低电极上析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的过电位，实现在低槽压下的大电流产氢。因此，发展廉价、易制备的高效电解水催化剂备受关注。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院战略性先导科技专项的支持下，中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室研究员胡劲松课题组科研人员在氢能的清洁获取与应用研究方面开展了系列研究（ACS Nano 2016, 10, 851; Nano Energy 2016, 28, 319; Adv. Sci. 2017, 4, 1700084; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3570）。最近，他们针对电解水过程中阳极析氧反应比动力学缓慢、过电位高的问题，研究发现通过对原本活性不高但制备过程环境友好的析氧催化剂进行微观形貌以及电子结构的调控，可以大幅提升其电催化析氧活性与稳定性，为拓展电解水电极材料的选择提供了另一种途径。他们研究发现硼酸镍(II)(Ni3(BO3)2)纳米催化剂的电催化析氧性能与其结晶度密切相关，并通过调控其结晶度，首次获得了OER性能优异的新型硼酸镍(II)析氧电催化剂(图1)。这一通过调控电催化剂结晶程度来精细调控电催化剂性能的研究结果为开发新型低成本、高效电催化剂提供了崭新的思路。相关研究结果于近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6572上，并被《物理化学学报》以highlight形式报道。

此外，碱式碳酸盐制备方法简单、经济、环保，但其电催化分解水的性能不佳。科研人员近日研究发现通过向碱式碳酸钴中引入锰，实现对其微观形貌和电子结构的双重调控，可以大幅度提升其电催化分解水性能，使原本没有应用前景的碱式碳酸盐类材料成为可与最近报道的高性能硫化物、磷化物等媲美的、可在大电流下工作的新型双功能全水分解电催化剂(图2)。这一研究不仅拓宽了低成本高效电解水催化剂的选择范围，而且有助于理解催化剂的构效关系，为开发新型、环境友好、可实际工作的高效低成本电催化剂提供了新的思路。相关研究结果发表在J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8320上。

图1 (a-b) 部分结晶的Ni3(BO3)2包覆Ni3B纳米颗粒(pc-Ni-Bi@NB)的TEM照片；(c) pc-Ni-Bi@NB与文献报道催化剂的OER活性比较图；(d-e) 不同结晶度Ni3(BO3)2包覆Ni3B的电催化析氧TOF曲线及在过电位300 mV处的TOF值(1：非晶；2-5：结晶程度依次增加)。

图2 (a) 锰掺杂碱式碳酸钴(CoxMnyCH)纳米片阵列电解水催化剂的示意图；(b) CoxMnyCH催化剂的电化学活性面积与Co/Mn比例的关系图；(c) CoxMnyCH催化剂的析氧极化曲线；(d) CoxMnyCH催化剂的析氢极化曲线。