模块化设计：构筑双功能非贵金属电催化剂新策略

随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，如何实现节能减排、保护自然资源与环境的绿色发展成为当今社会亟待解决的课题之一。氢能作为可替代传统能源的新型能源，具有环保、清洁、高效等优势，或成为能源使用的发展目标。电解水制氢作为公认的“Carbon-neutral”制氢技术受到越来越广泛的关注。目前，对于电解水催化剂的研究主要集中在价格低廉、催化活性较高的非贵金属催化剂上。如何实现催化剂的高活性与稳定性，仍是目前电催化材料设计的挑战之一。

近期，德国乌尔姆大学Carsten Streb教授课题组与北京化工大学宋宇飞教授课题组开展合作，创新性地提出以模块化设计（Modular Design）策略构筑双功能金属氧化物复合电催化剂。将多金属氧酸盐（POM）分子模块作为前驱体，在泡沫铜基底上将其转换为多种纳米级非贵金属氧化物，成功制备了具有高催化活性及高稳定的3D结构双功能电催化剂。该催化剂选择具有高活性的钴氧化物作为HER及OER催化活性组分，以铜氧化物促进电子快速传递，并且借助于钨氧化物稳定的物理化学性质有效增强催化剂稳定性。同时，原位水热生长过程确保了催化剂与电极间的稳定连接。得益于该催化剂巧妙的结构设计和多种金属氧化物纳米颗粒的共同作用，该催化剂在0.1 M KOH电解液（pH = 12.8）条件中中表现出高的电催化活性和超高法拉第效率。同时，该催化剂展现出优异的电催化稳定性，在超过10小时的电催化过程中性能没有明显下降。该策略为双功能多组分非贵金属复合催化剂设计提供了一条简单、高效、普适性强的新思路。

这一研究成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者为乌尔姆大学博士生Dandan Gao，通讯作者为北京化工大学宋宇飞教授和乌尔姆大学Carsten Streb教授。

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Modular Design of Noble‐Metal‐Free Mixed Metal Oxide Electrocatalysts for Complete Water Splitting

Dandan Gao, Rongji Liu, Johannes Biskupek, Ute Kaiser, Yu-Fei Song, Carsten Streb

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 131, 4692-4696, DOI: 10.1002/anie.201900428

导师介绍

宋宇飞

https://www.x-mol.com/university/faculty/8751