工学院邹如强课题组在稳固高效电解水制氢催化剂材料研究中取得紧张进展

北京大学工学院邹如强课题组近期在稳固高效电解水制氢催化剂材料研究中取得紧张进展，在材料与能源领域闻名期刊《先辈能源材料》发表题为“Metal-Organic Frameworks Derived Cobalt Phosphide Architecture Encapsulated into B/N Co-Doped Graphene Nanotubes for All pH Value Electrochemical Hydrogen Evolution”的文章。

进入21世纪以来，传统化石能源的枯竭与高污染带来的环境题目成为全球共同面对的挑衅，开发新型清洁能源势在必行。氢具有高能量密度，其自己无毒，燃烧产物只生成水，基于氢燃料的燃料电池被认为是最有发展前景的清洁能源。电解水析氢是目前最有用的制氢方法，为降低过电势、进步反应速率，电催化剂的应用必不可少。高效电解水必要用到昂贵的贵金属催化剂和对设备腐蚀紧张的强酸性电解液，这使得高成本、低产出与安全性题目成为了重要的制约因素。电解水产氢的另一大上风在于质料来源广泛，各种酸碱性电解液、工业废水以及海水都可作为自然的制氢质料，这就必要催化剂在全pH电解液中都体现出高催化活性。传统贵金属催化剂在酸性电解液中活性较高，而在中性和碱性电解液中体现较差。因此，开发廉价、稳固、安全、高效的全pH新型催化剂成为了当前的研究热点。

邹如强课题组近期报道了一种简单的无催化剂方法制备硼氮共掺杂石墨烯纳米管材料的新方法，通过高温共热解，调整碳源前驱体聚乙二醇的分子量，可一步控制生成硼氮共掺杂石墨纳米管材料，该材料具有优秀的导电性和催化活性，同时其雄厚的杂原子基团可为其它功能化纳米颗粒提供优秀的附着点，是一种理想的基底材料（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16469-16475，http://pubs.rsc.org/-/content/articlehtml/2016/ta/c6ta07214c）。课题组进一步在制备硼氮共掺杂石墨烯纳米管的过程中引入钴基金属有机骨架（MOFs）为前驱体模板，设计合成了一种硼氮共掺杂石墨烯纳米管（BCN）包裹磷化钴纳米颗粒的复合材料（CoP@BCN），用作电解水析氢反应的催化剂。作为前驱体的MOFs、聚乙二醇以及硼源和氮源经均匀混合，通过共热解法一步合成Co@BCN复合材料，进一步磷化得到CoP@BCN。该方法得到的CoP纳米颗粒被珍爱性碳层覆盖，并包裹在BCN纳米管内，有用防止了团圆和电解液腐蚀。它在酸性、中性和碱性条件下达到10mA cm^-2电流密度时的过电势分别为87、122和215毫伏，法拉第服从分别为99.5%、76.7%和88.5%，体现出了极高的电催化活性和稳固性。

硼氮共掺杂石墨烯纳米管包覆磷化钴纳米颗粒复合结构合成示意图

该成果展示了一种简单制备高效氢析出催化剂的策略，并为将来的复合型催化剂设计及解决稳固性题目提供了新思路。相干文章发表于Advanced Energy Materials，并于当期Inside Front Cover进行简要介绍。该工作也被Wiley旗下MaterialsViews专文报告。论文第一作者是2013级博士研究生Hassina Tabassum，邹如强是论文的通信作者。

邹如强课题组长期致力于金属有机骨架衍生复合材料的设计合成及其在能源领域的应用方面的研究，并取得系列进展。以金属有机骨架为前驱体系体例备的非贵金属催化剂在浩繁领域都体现出伟大的应用前景，有望庖代贵金属基催化剂，近年来成为能源与催化领域的研究热点。该课题组近期发表多篇相干论文（Adv. Mater., 2016, 28, 6391–6398；ACS Energy Lett., 2017, 2, 504–511；Carbon, 2017, 4, 284-290等），并受邀于化学和材料领域闻名期刊上撰写综述文章（Adv. Energ. Mater., 2016, 1600423；Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2650–2676；Chem, 2017, 2, 52–80）。

编辑：江南