近日，華東師大化學與分子工程學院上海市綠色化學與化工過程綠色化重點實驗室特聘教授施劍林院士與青年教師陳立松博士在有機物輔助電催化析氫領域取得重要進展。研究成果以“Nickel-molybdenum nitride nanoplate electrocatalysts for concurrent electrolytic hydrogen and formate productions”為題發表在《自然•通訊》(Nature Communications)上(Nat. Commun, 2019, 10, 5335)。

 

　　氫氣因具有能量密度高、清潔高效等諸多優點而被譽為未來最有前景的能源載體。電解水制氫技術可以將難以并網利用的電能轉化為氫氣，具有能量轉化效率高、產氫速率快、氫氣純度高等優勢，是目前制備高純氫氣的最理想方案之一。 然而，電催化制氫面臨著陽極析氧反應(OER)動力學緩慢，產生的氧氣附加值較低等問題，且存在與陰極產生的氫氣混合而發生爆炸的危險。

 

　　針對上述問題，施劍林院士與青年教師陳立松博士團隊提出在電解液中加入廉價有機物，以有機物的氧化反應取代OER過程。有機物輔助電催化析氫，不僅解決了電解過程中陽極過電位大的問題，還能得到高附加值產品。課題組經過深入探索，研制了一種新型電催化劑—Ni-Mo-N/CFC納米片，該材料可以同時作為甘油輔助電催化析氫電解池的陰極和陽極催化劑，高效率實現了電催化生產高純氫氣和高附加值的甲酸鹽。

 

　　在前期電催化析氫的研究過程中，該團隊提出了“降低OER過電位”(開發高效催化劑，降低OER過電位；ACS Catal., 2018, 8, 3688-3707；J. Mater. Chem. A 2017, 5, 22568-22575)，“取代OER過程”(以甲醇等易被氧化物質的氧化過程取代OER過程；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10 39002-39008；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 25422-25428)的策略。在此基礎上，課題組提出了“利用OER過電位”的思路，建立了將附加值較低的有機物轉化為附加值較高產品的“有機物輔助析氫法”(J. Mater. Chem. A 2018, 5, 13538-13548)。在最新研究工作中，基于過渡金屬基氮化物具有較低電阻和較高機械穩定性的優點，課題組通過水熱法在碳纖維布上生長了鎳鉬化合物NiMo-Pre/CFC，而后通過高溫氮化得到鎳鉬氮化物(Ni-Mo-N/CFC)。電化學實驗表明，以甘油為輔助物，Ni-Mo-N/CFC催化劑在陽極可將甘油氧化生成高附加值的甲酸鹽，同時提供電子促進水分解生產氫氣。當Ni-Mo-N/CFC同時作為電解池的陰極和陽極催化劑時，達到10mA cm-2電流密度僅需要1.36 V電壓，比純水分解所需電壓低0.260 V。在該體系中，氫氣和甲酸鹽生產的法拉第效率可高達99.7%和95.0%。有機物輔助電催化析氫策略顯著降低了電催化制氫的能耗，得到了高附加值陽極產物，避免了氫氧混合可能發生的爆炸危險。基于上述優勢，課題組的研究策略對于可再生能源發展提供了新思路，有望進一步發展成為一種高效節能，具有潛在應用前景的新技術。

 

　　華東師大博士研究生李妍、魏新發為論文共同第一作者，施劍林院士與陳立松博士為論文共同通訊作者，何鳴元院士為研究工作開展提供了重要指導。華東師范大學為論文第一作者單位。該研究得到了國家自然科學基金、上海市揚帆計劃、國家博士后科研基金以及高性能陶瓷與超微結構國家重點實驗室開放項目的資助。

 

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13375-z