電催化析氫材料設(shè)計取得重要進展
“Less is more”是著名建筑師米斯×凡德洛說過的一句話，這種“少即多”的設(shè)計理念是提倡形式簡單而反對過度浮華，認(rèn)為簡單的東西往往帶給人們更多的享受。這個設(shè)計理念能否在材料科學(xué)領(lǐng)域有借鑒價值？近日中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授課題組完成的一項工作充分說明了“少即多”設(shè)計在電催化析氫材料設(shè)計方面的優(yōu)越性。此成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)雜志》（Angewandte Chemie International Edition 2014, 53, 12120）,并將在期刊封底上以“Less is more”為題加以介紹。
電催化析氫材料設(shè)計工作刊登在《Angewandte Chemie》封底
眾所周知，氫能具有非常高的能量密度和極低的環(huán)境污染，對于潔凈能源的利用開發(fā)是至關(guān)重要的。電催化析氫反應(yīng)是在金屬電極表面放氫腐蝕的陰極過程，是在可逆氫燃料電池中產(chǎn)氫的重要過程。金屬鉑是該系列反應(yīng)中最具催化活性的金屬材料，然而其高成本促使人們一直在尋找降低鉑用量的方法。迄今為止，業(yè)界還未能開發(fā)出降低鉑用量且保持高電催化活性的技術(shù)。
研究人員針對該瓶頸，設(shè)計了一類鉑-鈀-石墨烯疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)，并發(fā)展了鉑層厚度精準(zhǔn)控制的合成方法，從而構(gòu)筑得到一系列鉑層厚度可控的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該系列復(fù)合結(jié)構(gòu)在電催化析氫反應(yīng)中展現(xiàn)出可調(diào)變的性能，當(dāng)鉑層厚度控制在4個原子層范圍內(nèi)時達到性能最高值，-300 mV電壓下的電流密度791 mA cm-2和塔菲爾斜率10 mV decade-1遠優(yōu)于目前商用的鉑碳電極材料。其合作者江俊教授課題組通過理論模擬方法研究金屬鉑和鈀的界面，發(fā)現(xiàn)此兩種金屬功函數(shù)的差異會導(dǎo)致金屬鉑表面產(chǎn)生極化作用，從而在其表面聚集負(fù)電荷，有利于促進析氫反應(yīng)的發(fā)生。進一步尺寸依賴性研究表明，該極化作用隨著鉑層厚度的增加而減弱，因此在實驗上可通過鉑層厚度控制手段來調(diào)控電催化析氫性能。該進展使得業(yè)界將能夠在降低金屬鉑用量的同時極大地提高電催化析氫活性，為開發(fā)低成本、高性能電催化材料鋪平了道路。該研究發(fā)現(xiàn)有助于加深人們對復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中電荷極化行為和機制的認(rèn)識，也對復(fù)合結(jié)構(gòu)電催化劑的理性設(shè)計具有重要推動作用。
研究工作得到了科技部973計劃、國家自然科學(xué)基金、國家人才計劃、中科院人才計劃等項目的資助。
?。ê戏饰⒊叨任镔|(zhì)科學(xué)國家實驗室，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心）
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