聊城大学电催化析氢研究取得新成果

据中国山东网消息：化石能源日益枯竭，且化石能源的使用是造成环境变化与污染的关键因素，因此，开发更清洁的可再生能源势在必行。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢的能量密度高，燃烧产物是水，无污染，且能循环使用。因此，氢能作为一种高效、清洁、可持续的“无碳”能源已得到世界各国的普遍关注。

为降低水裂解析氢反应的过电位并加快反应速率，电催化剂的使用尤为重要。Pt金属是现今性能最好的析氢催化剂，但其价格昂贵、成本太高、储量稀少，在实际生产中无法推广应用。

近年来，杂原子掺杂的碳纳米材料作为电催化剂显示出很大的潜力。碳材料的来源丰富，且结构与化学组分可调，其电催化活性可与金属材料甚至贵金属材料相提并论。碳材料有很强的耐酸碱性，稳定性很好。此外，杂原子(如，氮、硼、磷和硫等)掺杂可以有效的调节碳材料的电子性质。两种不同杂原子的共掺杂比单掺杂具有更明显的效果，共掺杂通过两种原子之间的协同作用，可大大提高碳材料的电催化活性。

聊城大学化学化工学院曲孔岗博士与澳大利亚阿德莱德大学乔世璋、戴胜两位教授合作，利用聚多巴胺作为平台，合成了氮硼、氮磷和氮硫双掺杂的三种碳纳米片层材料，比较研究了第二掺杂剂(硼、磷和硫)对氮掺杂碳材料在析氢反应中的促进作用。他们研究发现，硫具有最强的促进作用，磷其次，而硼会降低氮掺杂碳材料的催化活性。深入的理论计算结合实验数据证实，第二掺杂剂的促进作用受碳材料内在的电子结构和外在的表面积影响，即：电子结构决定了活性位点的催化活性，只有在有利的电子结构的基础上，大的比表面积才可进一步提高催化剂的表观活性。以曲孔岗为第一作者的相关研究成果发表在美国化学会杂志ACS Nano (2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03290)上。

曲孔岗老师表示，接下来研究团队会继续深入研究析氢的催化问题，除此碳纳米材料外，也会探索性能更优、成本低的金属类等种类的催化剂，为国家的清洁、可再生能源的开发利用作贡献。