催化材料前沿研究成果精選【第4期】

1、Advanced Energy Materials：可調高效的錫改性摻氮納米碳纖維電化學還原二氧化碳

圖1 Sn改性的N摻雜的碳納米纖維電催化劑的制造工藝的示意圖

高效和選擇性的含量豐富的催化劑對于推動CO₂電化學轉化成有附加價值的化學品是非常理想的。近日，湖南大學馬建民副教授、臥龍崗大學Gordon G. Wallace教授和王彩云博士（共同通訊作者）開發了一種低成本的Sn改性N摻雜碳納米纖維混合催化劑，在水介質中直接通過靜電紡絲技術和熱解過程進行可切換的CO₂電還原。電催化性能可以通過N摻雜碳納米纖維上Sn物質的結構來調節。Sn納米顆粒驅動高效甲酸鹽形成，在690 mV的中等過電勢下，具有11mA cm^-2的高電流密度和62％的法拉第效率。原子分散的Sn物質促進CO₂在490mV的低過電勢下以91％的高法拉第效率轉化為CO。Sn物種與吡啶氮的相互作用在調節這兩種物質的催化活性和選擇性方面發揮重要作用。

文獻鏈接：Tunable and Efficient Tin Modified Nitrogen-Doped Carbon Nanofibers for Electrochemical Reduction of Aqueous Carbon Dioxide（Advanced Energy Materials，2018，DOI: 10.1002/aenm.201702524）

2、JACS：通過優化原子氫吸附和解吸，在Cu納米點修飾的Ni₃S₂納米管上高效析氫

圖2 Cu NDs/Ni₃S₂?NTs-CFs微觀結構的示意圖

?低成本的過渡金屬二硫族化合物（MS₂）作為用于析氫的替代催化劑引起了極大的興趣。然而，在MS₂（S-H_ads）上形成硫-氫鍵，這將嚴重抑制析氫反應（HER）。近日，中山大學李高仁教授（通訊作者）介紹了在堿性介質中碳纖維（CF）（Cu NDs/Ni₃S₂?NTs-CFs）上負載Cu納米點(NDs)修飾Ni₃S₂納米管（NTs）作為高效電催化劑的HER。Cu和Ni₃S₂之間的電子相互作用導致Cu納米點帶正電，并且可以促進水的吸附和活化。同時，Ni₃S₂NTs帶負電，可以削弱在催化劑表面形成的S-H_ads鍵。因此，Cu/Ni₃S₂雜化材料可以優化H在電催化劑上的吸附和脫附，并促進HER的Volmer和Heyrovsky步驟。Cu和Ni₃S₂之間的強烈相互作用使得Cu?NDs /Ni₃S₂NTs-CFs催化劑顯示出起始電位低，催化活性高，穩定性好等優異的HER催化性能。

文獻鏈接：Efficient Hydrogen Evolution on Cu Nanodots-Decorated Ni3S2 Nanotubes by Optimizing Atomic Hydrogen Adsorption and Desorption（JACS，2018，DOI: 10.1021/jacs.7b08521）

3、Advanced Energy Materials：硅基光子晶體載體上RuO₂納米結構催化高效環境溫度CO₂光轉換

圖3 CO₂在與H₂相互反應的[Ru(110)]^-1表面吸附的示意圖

CO₂的陽光驅動催化加氫是產生有用化學品和燃料的重要反應，如果在工業規模下運行，可以減少溫室氣體向大氣中的二氧化碳排放。近日，加拿大多倫多大學Geoffrey A. Ozin教授（通訊作者）介紹了在三維硅基光子晶體載體上高分散的納米結構的RuO₂催化劑上的CO₂的光催化作用，在高強度太陽模擬輻照的環境溫度下實現高達4.4mmol g_cat^-1h^-1的的轉化率。這種性能比在硅晶片上由納米結構的RuO₂制成的對照樣品所獲得的光催化速率大一個數量級。硅基光子晶體在整個太陽光譜波長范圍內的高吸收和獨特的集光性質，加上其大的表面積，被認為是導致RuO₂光催化劑的高甲烷化率的原因。CO₂與H₂反應的密度泛函理論研究揭示了H₂在RuO₂表面分解形成羥基，參與整個光化過程。

文獻鏈接：Highly Efficient Ambient Temperature CO₂?Photomethanation Catalyzed by Nanostructured RuO2 on Silicon Photonic Crystal Support（Advanced Energy Materials，2018，DOI：10.1002 / aenm.201702277 ）

4、Advanced Energy Materials：用于全水電解的超薄二維非層狀硒化鎳的拓撲工程

圖3 超薄2D層狀Ni(OH)₂納米片和超薄2D非層狀NiSe納米片的結構演變示意圖

盡管電化學功能新的希望顯著，超薄二維非層狀納米材料的制造仍然具有挑戰性。然而，目前的策略主要限于內在的分層材料。近日，復旦大學鄭耿峰教授和新加坡國立大學Ghim Wei Ho教授（共同通訊作者）開發了組合式自調節酸蝕刻和拓撲轉換策略，制備垂直堆疊的超薄2D非層狀的硒化鎳納米片。由于在酸性條件下水解作用受到抑制，自調酸蝕刻產生超薄層狀氫氧化鎳（兩層）。超薄結構允許在硒化過程中有限的外延延伸，即非破壞性拓撲轉變，使得氫氧化物基礎框架能夠容易地人工改造成超薄非層狀硒化物。所以，精致的非層狀鎳硒化合物具有較高的周轉頻率，電化學表面積，交換電流密度和低Tafel斜率，以及促進電荷向氧和析氫反應轉移。因此，在動力學上有利的雙功能電催化劑在堿性中間體中提供了先進和強大的總體水分解活性。整合的方法為設計其他高活性的2D非層狀電催化劑開辟了新的途徑。

文獻鏈接：Topotactic Engineering of Ultrathin 2D Nonlayered Nickel Selenides for Full Water Electrolysis（Advanced Energy Materials，2018，DOI：10.1002/aenm.201702704 ）

5、Advanced Energy Materials：在水電解槽中穩定的石墨納米碳封裝的富鈷核-殼型電催化劑

圖5 由Co₃?[Co(CN)₆] ₂·nH₂O-PB合成核殼結構Co @ NC的示意圖

氧電極在可再生能源技術（如燃料電池和水電解器）的成功商業化中起著至關重要的作用。近日，大邱慶北理工大學Sangaraju Shanmugam教授報告了普魯士藍類似衍生物的氮摻雜納米碳（NC）層捕獲，富鈷，核殼納米結構電催化劑（核殼Co@NC）。與商用貴金屬電極相比，該電極表現出優異的析氧活性和穩定性。核殼Co@NC負載的鎳泡沫在10mA cm^-2下表現出比負載在泡沫鎳上的IrO₂低330 mV的過電勢，并且具有超過400h的耐久性。商用Pt/C陰極輔助核殼Co@NC陽極水電解槽在10mA?cm^-2下輸出電壓為1.59V，比IrO₂陽極水電解槽低70mV。在長時間計時耐久性測試中，IrO₂陽極水電解槽在95小時顯示出230mV（14％）的電池電壓損失，但核殼Co@NC-陽極電解槽在350小時后的損失僅為60mV（4％）。研究結果表明，普魯士藍類似物是一類無機納米多孔材料，可以用來衍生具有富集活性中心的富金屬核-殼電催化劑。

文獻鏈接：A Stable Graphitic, Nanocarbon-Encapsulated, Cobalt-Rich Core–Shell Electrocatalyst as an Oxygen Electrode in a Water Electrolyzer（Advanced Energy Materials，2018，DOI：10.1002/aenm.201702838）

本文由材料人編輯部學術組木文韜供稿，材料牛整理編輯。

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