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作者?| TG

氫能作為一種新型可再生能源和清潔能源，具有能量密度大、轉化效率高、儲量豐富和對環境無污染等特性，得到了人們廣泛關注。堿性條件下電催化分解水產氫（HER）作為一種簡便高效的制氫方法被廣泛應用于工業生產及相關特種行業。

堿性HER反應主要包括兩個連續過程：（1）解離水分子（Volmer步驟）補充所需H+；（2）還原材料表面吸附的H+產生氫氣。其中，水解離Volmer過程是堿性條件下HER催化反應過程的速率限制步驟。

為了提高HER反應動力學，發展高活性、低成本的可替代商業Pt/C的非貴金屬電催化劑對于降低HER反應動力學過電位，同時實現電催化水分解制氫的大規模器件化具有重大意義。此外，進一步探究材料的電催化活性位點并理解其催化反應機制，將為發展高效的非貴金屬堿性電解水制氫催化劑提供重要理論基礎。

近日，浙江大學侯陽課題組在堿性電解水析氫反應研究中取得重要進展。研究人員采用水熱自組裝和高溫裂解耦合技術，構建出一種金屬-氮摻雜的納米碳包裹金屬粒子復合材料并對其電催化水裂解析氫性能進行了詳盡研究。在該復合體系中，原子級分散Ni-N結構摻雜的納米碳材料包覆顆粒尺寸為25~50 nm的金屬Ni納米粒子，形成了一個具有較高比表面積（140 m²g^?1）的雜化超級結構。

電催化析氫活性研究表明，該Ni NP|Ni-N-C/EG電極在堿性環境中表現出優異的析氫催化活性。在電流密度達到10 mA cm^-2時，其電化學析氫過電勢僅為147 mV，其性能可與目前報道最佳的異質原子（金屬或/和非金屬）摻雜納米碳催化材料相媲美，甚至優越于部分過渡金屬化合物基電催化劑。此外，Ni NP|Ni-N-C/EG電極的Tafel斜率為114 mV/dec，小于Ni-N-C/EG電極的183 mV/dec，展現出更快的反應動力學特性。

研究者采用球差校正掃描透射電子顯微鏡、SCN-中毒實驗、X射線近邊吸收光譜和擴展X射線吸收光譜等手段，證明了Ni NP|Ni-N-C/EG催化材料中原子級分散的Ni-N結構摻雜的納米碳材料作為催化活性中心。理論計算結果闡明，金屬Ni納米粒子的存在優化了Ni-N摻雜納米碳表面的電荷分布，降低了HER反應過程中水解離步驟的能量勢壘，極大地加速了堿性析氫反應的質子動力學過程，從而導致其高效的電催化性能和優良穩定性。

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這項工作不僅設計并開發出一種高效穩定的原子級金屬-氮-碳包覆金屬納米顆粒電催化劑，還為如何設計低成本高活性人工固氮、二氧化碳轉化和氧還原催化材料的設計提供了新的思路。

工作得到了國家自然科學基金和浙江大學“百人計劃”啟動基金等項目的支持。相關論文以“Efficient Alkaline Hydrogen Evolution on Atomically Dispersed Ni–Nx Species Anchored Porous Carbon with Embedded Ni Nanoparticles by Accelerating Water Dissociation Kinetics”為題發表在國際能源環境領域權威期刊Energy and Environmental Science（影響因子30.067）上。該項成果由浙江大學、德國德累斯頓工業大學及華中師范大學合作完成。論文第一作者為浙江大學碩士研究生雷超君。浙江大學為該論文的第一及通訊作者單位。

文獻信息：

Efficient Alkaline Hydrogen Evolution on Atomically Dispersed Ni–Nx Species Anchored Porous Carbon with Embedded Ni Nanoparticles by Accelerating Water Dissociation Kinetics. Energy and Environmental Science, 2018,?

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https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee01841c#!divAbstract

侯陽課題組主頁：http://mypage.zju.edu.cn/yhou