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工学院邹如强课题组在稳定高效电解水制氢催化剂材料研究中取得重要进展

2017-04-14  2179

北京大学工学院邹如强课题组近期在稳定高效电解水制氢催化剂材料研究中取得重要进展,在材料与能源领域著名期刊《先进能源材料》发表题为“Metal-Organic Frameworks Derived Cobalt Phosphide Architecture Encapsulated into B/N Co-Doped Graphene Nanotubes for All pH Value Electrochemical Hydrogen Evolution”的文章。

进入21世纪以来,传统化石能源的枯竭与高污染带来的环境问题成为全球共同面对的挑战,开发新型清洁能源势在必行。氢具有高能量密度,其本身无毒,燃烧产物只生成水,基于氢燃料的燃料电池被认为是最有发展前景的清洁能源。电解水析氢是目前最有效的制氢方法,为降低过电势、提高反应速率,电催化剂的应用必不可少。高效电解水需要用到昂贵的贵金属催化剂和对设备腐蚀严重的强酸性电解液,这使得高成本、低产出与安全性问题成为了主要的制约因素。电解水产氢的另一大优势在于原料来源广泛,各种酸碱性电解液、工业废水以及海水都可作为天然的制氢原料,这就需要催化剂在全pH电解液中都表现出高催化活性。传统贵金属催化剂在酸性下活性较高,而在中性和碱性电解液中表现较差。因此,开发廉价、稳定、安全、高效的全pH新型催化剂成为了当前的研究热点。

邹如强课题组近期报道了一种简单的无催化剂方法制备硼氮共掺杂石墨烯纳米管材料的新方法,通过高温共热解,调整碳源前驱体聚乙二醇的分子量,可一步控制生成硼氮共掺杂石墨纳米管材料,该材料具有良好的导电性和催化活性,同时其丰富的杂原子基团可为其它功能化纳米颗粒提供良好的附着点,是一种理想的基底材料(J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16469-16475,http://pubs.rsc.org/-/content/articlehtml/2016/ta/c6ta07214c)。进一步在制备硼氮共掺杂石墨烯纳米管的过程中引入钴基金属有机骨架(MOFs)为前驱体模板,设计合成了一种硼氮共掺杂石墨烯纳米管(BCN)包裹磷化钴纳米颗粒的复合材料(CoP@BCN),用作电解水析氢反应的催化剂。作为前驱体的MOFs、聚乙二醇以及硼源和氮源经均匀混合,通过共热解法一步合成Co@BCN复合材料,进一步磷化得到CoP@BCN。该方法得到的CoP纳米颗粒被保护性碳层覆盖,并包裹在BCN纳米管内,有效防止了团聚和电解液腐蚀。它在酸性、中性和碱性条件下达到10 mA cm-2电流密度时的过电势分别为87、122和215毫伏,法拉第效率分别为99.5%、76.7%和88.5%,表现出了极高的电催化活性和稳定性。


硼氮共掺杂石墨烯纳米管包覆磷化钴纳米颗粒复合结构合成示意图

该成果展示了一种简单制备高效氢析出催化剂的策略,并为未来的复合型催化剂设计及解决稳定性问题提供了新思路。相关文章发表于Advanced Energy Materials(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201601671/abstract),并于当期Inside Front Cover做简要介绍。该工作也被Wiley旗下MaterialsViews专文报告(http://www.materialsviewschina.com/2017/04/24724/)。论文第一作者是13级博士生Hassina Tabassum,邹如强是论文的通讯作者。


CoP@BCN复合结构电解水制氢

邹如强课题组长期致力于金属有机骨架衍生复合材料的设计合成及其在能源领域的应用方面的研究,并取得系列进展。以金属有机骨架为前驱体制备的非贵金属催化剂在众多领域都表现出巨大的应用前景,有望取代贵金属基催化剂,近年来成为能源与催化领域的研究热点。该课题组近期发表多篇相关论文(Adv. Mater., 2016, 28, 6391–6398; ACS Energy Lett., 2017, 2, 504–511,Carbon, 2017, 4, 284-290等),并受邀于化学和材料领域著名期刊上撰写综述文章(Adv. Energ. Mater., 2016, 1600423; Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2650–2676;  Chem, 2017, 2, 52–80)。

本研究工作得到国家自然科学基金、国家“万人计划”青年拔尖人才、北京市科委等项目的资助。