用于碱溶液中电解水的低成本高效析氢催化剂

碱性溶液中的电催化析氢（Hydrogen Evolution Reaction, HER）反应是工业电解水制氢的关键步骤，也是氯碱工业中的重要反应。发展新型的电催化剂来降低反应电位，从而减少能量损耗，一直是材料科学和化学工业发展中的重要课题。此外，稳定性也是制约碱溶液中HER催化剂性能的一个重要因素。近日，扬州大学的周敏博士（第一作者）、北京交通大学的王熙教授（通讯作者）以及日本NIMS的合作者等通过在Ni₃N表面构筑电荷极化的碳层，成功实现了碱性环境中HER催化活性以及稳定性的同步提升。

对于特定的HER催化剂，其在碱性环境中所需要的过电位往往比酸性环境中的更高。首先，催化剂需要将吸附到表面的H₂O分子分解为H_ads和带负电的OH_ads（Volmer反应）；然后通过H_ads-H_ads（Tafel反应）或者H_ads-H₂O（Heyrovsky反应）的结合产生H₂并逸出。研究表明，碱性HER反应的速率是由第一步Volmer步骤控制的。因此，有针对性地提高该步骤反应的速率是提升碱性HER催化剂活性的关键。

为此，北京交通大学的王熙教授团队及其合作者通过在Ni₃N颗粒表面包覆原子厚度的碳层，获得了电荷分布极化的碳表面（图1）。这种表面能够有效降低Volmer反应的活化能，进而提升催化剂的催化活性：在1 M的KOH溶液中，仅需69 mV的过电位即可达到10 mA•cm^-2的电流密度。在不考虑催化剂比表面的情况下，这一表现优于商业的Pt电极。此外，碳包覆可以有效抑制Ni₃N与电解液的直接接触，避免Ni₃N氧化，从而提高催化剂整体的工作稳定性。该工作可为发展廉价、高效和持久的电催化剂提供参考。相关成果近期发表在ACS Nano 上，并在同期In Nano中介绍。

图1. （a）Ni₃N@C结构的TEM成像；（b）样品中氧的XANES谱；（c）碱性溶液中电催化析氢的极化曲线以及（d: Ni₃N@C和e: Ni₃N）根据第一性原理计算得到的碳包覆前后材料表面对于Volmer步骤结合能的影响。

该论文作者为：Min Zhou, Qunhong Weng, Zakhar I. Popov, Yijun Yang, Liubov Yu. Antipina, Pavel B. Sorokin, Xi Wang, Yoshio Bando and Dmitri Golberg

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Construction of Polarized Carbon-Nickel Catalytic Surfaces for Potent, Durable and Economic Hydrogen Evolution Reactions

ACS Nano, 2018, 12, 4148, DOI: 10.1021/acsnano.7b08724

导师介绍

王熙

http://www.x-mol.com/university/faculty/38318