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木士春教授在电催化产氢领域又取得重要进展

更新日期:2019-03-14


 

近日,我校材料复合新技术国家重点实验室木士春教授课题组在富磷型金属磷化物纳米材料电催化产氢研究领域又取得重要进展,研究成果已在国际顶级刊物《能源与环境科学》(A universal synthesis strategy for P-rich noble metal diphosphide based electrocatalyst for hydrogen evolution reactions. Energy & Environmental Science, 2019, 12, 952-957)上在线发表,期刊影响因子(IF)为30.067

过渡金属二磷化物等富磷型磷化物由于具有高的导电性、析氢电催化活性及电化学稳定性,被认为是未来替代铂(Pt)基贵金属催化剂的理想材料之一。然而,富磷型过渡金属磷化物由于具有熔点低、热稳定性差等缺点使得大多数富磷型磷化物难以可控合成。另一方面,纯富磷型过渡金属磷化物表面易被氧化,导致合成此类化合物的报道相对较少。因此,急需探索一种简单、通用而高效的过渡金属二磷化物材料的合成方法。

近几年来,木士春教授课题组在过渡金属磷化物的设计、构筑及电催化产氢方面开展了大量研究工作,已在Angewandte Chemie International EditionAdvanced Fucntional MaterialsNano EnergyApplied Catalysis B: Environmental 等国际权威期刊上发表20余篇SCI论文。特别是在富磷型金属磷化物研究方面取得了一些原创性成果(Angewandte Chemie International Edition, 2017, 56, 11559):他们首次借助具有较强络合能力的绿色植酸为磷源,合成出了富磷型二磷化钌(RuP2),并同时实现了二磷化钌的氮、磷异质原子掺杂碳封装。该封装构型在保持催化剂稳定的同时还改变了二磷化钌表面的电子结构及氢吸附自由能,从而大幅改善催化剂的电化学析氢活性,使其达到类铂的析氢催化性能。该合成方法具有简单、安全和可规模化制备等优点,适合大规模产业化应用。

在此基础上,他们近期进一步研究发现,借助不同的贵金属盐及控制前驱体的比例,采用与之前相似的方法可获得一系列的氮原子掺杂碳封装富磷型二磷化物贵金属催化剂(如IrP2RhP2Pd5P2等,从而证明该合成方法的普适性。其中制得的IrP2催化剂,当作为酸性析氢催化剂时,仅需8 mV的过电势即可实现10 mA cm-2的析氢电流密度,显示出优于商用铂催化剂(Pt/C)的电催化析氢活性(18 mV@j=10 mA cm-2)。值得关注的是,在酸性条件下,该催化材料还展现出较好的氢氧化反应(HOR)催化活性,有望作为质子交换膜燃料电池阳极电催化剂使用。此外,因受氮掺杂碳的封装、限域作用,该催化剂亦表现出了明显优于商用铂催化剂(Pt/C)的电化学稳定性能。无疑,该项成果将有力推动富磷型金属磷化物催化剂在电解水制氢、燃料电池及其它领域中的应用。

    论文通讯作者为木士春教授,第一作者为博士研究生蒲宗华(现为华南理工大学博士后)。该研究得到了国家自然科学基金项目(No. 51672204)支持。