近年來電解水制氫受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，尋找廉價高效的非鉑電催化劑成為時下研究熱點(diǎn)。作為當(dāng)下“明星材料”的石墨烯具有導(dǎo)電性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，近年來科研人員致力將其開發(fā)為高活性酸性析氫電催化劑，然而很多碳基催化劑的活性與貴金屬相比還有很大的差距。如何將石墨烯碳基材料開發(fā)成高活性電催化劑是一個熱點(diǎn)課題。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料系陳乾旺教授課題組以貴金屬銥摻雜的金屬有機(jī)框架材料作為前驅(qū)體，一步煅燒制備了氮摻雜的類石墨烯層包裹銥鈷合金核殼結(jié)構(gòu)材料，在酸性電解質(zhì)析氫反應(yīng)中表現(xiàn)出高活性和高穩(wěn)定性。該研究成果1月12日發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上（Advanced Materials 2018, doi: 10.1002/adma.201705324），論文的共同第一作者是博士研究生江鵬、陳繼堂和王長來，他們分別對論文的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算部分作出了貢獻(xiàn)。


催化劑結(jié)構(gòu)及電催化析氫反應(yīng)示意圖


銥鈷合金可向表面活性位點(diǎn)轉(zhuǎn)移電子，銥鈷合金表面包覆的氮摻雜的石墨烯層類似于“鎧甲”，有利于防止合金內(nèi)核被酸腐蝕。作為酸性析氫電催化劑（其中銥的含量僅為1.56 wt.%），其塔菲爾斜率僅為23 mV/dec，達(dá)到10mA/cm2電流密度時其過電位僅為24mV，顯示出與商用的20%Pt/C電催化劑可比的電催化析氫性能。密度泛函理論模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，氮摻雜原子近鄰的碳原子是電催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)，銥的引入促進(jìn)了電子向類石墨烯層表面遷移，降低了活性位點(diǎn)的氫吸附自由能。材料的表面結(jié)構(gòu)表征和元素成分成像分析等，揭示了氮元素?fù)诫s量的增加以及銥元素在合金內(nèi)核表面的富集有利于催化劑性能的提升。該工作為今后尋找更為廉價、高效的電催化析氫催化劑提供了一種新思路。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等有關(guān)項(xiàng)目的支持。