2017-12-19 X一MOL資訊
注：文末有研究團隊簡介 及本文作者科研思路分析
隨著對化石燃料燃燒引發的空氣污染和全球氣候變暖的日趨關注，開發清潔、高效、可持續的能源迫在眉睫。氫是一種理想的能源載體，具有單位質量能量密度高、可循環利用和綠色環保等優點，未來還可廣泛用作燃料電池的能源。然而，自然界中的氫并不以氫氣分子的形式存在，因此發展可持續的氫氣制備技術十分關鍵。從長遠來看，電解水制取氫氣是最有前景的方式。以水作為原料不但取之不盡、用之不竭，而且氫燃燒放出能量后又生成產物水，不會對環境造成任何污染。然而多年來，水電解制氫技術的進展緩慢，其主要原因在于過高的電能消耗增加了制氫成本。這就需要大幅降低電極極化，其中的關鍵之一是降低陰極析氫反應的過電位，實現低電位下的大電流產氫。一直以來，鉑基貴金屬催化劑公認為是優異的析氫催化劑，但高昂的價格和極度匱乏的資源限制了其廣泛的應用。因此，發展低成本、高效的非Pt電解水析氫催化劑成為研究的熱點。
近日，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室的木士春教授課題組在電化學制氫的研究中取得重要進展。他們首先通過理論計算發現，氮磷雙摻雜的碳可有效降低富磷的二磷化釕（RuP2）對氫的吸附自由能，從而達到與鉑催化劑接近的氫吸附自由能。隨后，他們利用綠色的植酸作為磷源成功合成了氮磷雙摻雜的碳為殼、RuP2為核的核殼結構復合納米材料 (RuP2@NPC)。該合成方法具有簡單、安全和可大規模化制備等優點。
電化學實驗表明，制備得到的復合納米結構在中性，甚至強酸、強堿條件下電解水制氫，均表現出與貴金屬鉑媲美的析氫性能。例如，作為酸性析氫電催化劑，在電流密度為10 mA?cm-2時，其過電位僅為38 mV，表現出與商用鉑碳（Pt/C）電催化劑相似的電催化析氫活性。同時，氮磷雙摻雜碳層可原位包覆在RuP2表面，有效保護RuP2，從而改善其電化學穩定性。因此，這種獨特的復合納米結構可促使RuP2的催化活性及穩定性得到大幅度提升。更重要的是，該研究工作中使用的貴金屬釕價格僅為鉑的10%（目前價格），表現出廣闊的應用前景。這一研究成果已于Angewandte Chemie International Edition 在線發表。文章的第一作者為博士研究生蒲宗華，通訊作者為木士春教授。
該論文作者為：Zonghua Pu, Ibrahim Saana Amiinu, Zongkui Kou, Wenqiang Li, Prof. Shichun Mu
原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面）：
RuP2-based Catalysts with Platinum-like Activity and Higher Durability for Hydrogen Evolution Reaction at All pH Values. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 11559, DOI: 10.1002/anie.201704911
木士春教授簡介
木士春，武漢理工大學教授，主要從事石墨烯材料、質子交換膜燃料電池關鍵材料與核心器件、鋰離子電池關鍵材料以及電催化析氫等研究工作；近年來，研發出具有自主知識產權的高性能燃料電池芯片（CCM），將其成功應用于100 kW的大功率燃料電池發動機，并實現向美國大批量出口CCM產品（20余萬片）；發現并報道了兩種新的石墨烯制備方法，為低成本宏量制備石墨烯奠定了堅實的基礎；研制和遴選出多種在全pH范圍內具有類鉑活性和高穩定性的過渡金屬磷化物非鉑析氫催化劑；近年來，承擔國家863計劃課題、國家973計劃課題、國家重點研發計劃（納米專項）課題、國家自然基金項目等10余項科研項目；作為第一/通訊作者已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Mater. Interfaces、Nano Energy 等國內外期刊上發表120余篇SCI論文，并以第一發明人的身份申請國家發明專利88項，其中授權61項；2014年入選國際電化學能源科學院（IAOEES）理事，并擔任歐盟石墨烯旗艦計劃項目評審專家，同時擔任Nature 出版集團旗下兩種期刊Scientific Reports (editorial board member)、Frontiers in Energy Research (section Energy Storage)的編委（編輯）及Journal of Nanoscience Letters 的資深編輯。
木士春簡介
http://www.x-mol.com/university/faculty/47822
課題組網站鏈接
http://www.dpstg.com/ss/shichunmu/index.html
http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=441048&view=springbamboo
科研思路分析
Q：這項研究最初是什么目的？或者說想法是怎么產生的？
A：我們致力于電化學能量轉換與儲存材料的研究，圍繞這一方向開展了電解水制氫反應等催化劑方面的研究，目的是開發廉價且高活性的電解水制氫催化劑。過渡金屬二磷化物（TMPs）作為一類富磷的金屬磷化物，其催化析氫活性高于富金屬的磷化物。然而，該方向的研究工作鮮有報道。因此，如何設計和制備富磷的過渡金屬磷化物并將其用于電催化析氫有利于降低過電位，進而實現在低電位下的大電流析氫成為大幅降低制氫成本的關鍵問題。基于此想法，我們開展了這項工作。
Q：研究過程中遇到哪些挑戰？
A：該研究中最大的挑戰是如何控制實驗條件形成富磷的金屬磷化物。在這一過程中，我們在合成過渡金屬磷化物方面的經驗積累起到了至關重要的作用。此外，我們的這種合成策略最多只能得到金屬二磷化物，如何得到更高富磷的金屬磷化物仍需進一步的研究。
Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？
A：該金屬磷化物催化劑可用于全pH值下電解水制取氫氣，具有與商業鉑催化劑媲美的析氫活性和優于商業鉑催化劑的穩定性，將對降低電解水制氫的電極極化和能耗產生積極的推動作用。