我電催化析氫材料設計取得突破性進展
- 發佈時間：2014-10-13 01:31:05 來源：科技日報 責任編輯：羅伯特
科技日報訊 （記者劉志強）“Less is more”是著名德國建築師米斯·凡德洛説過的一句話。這種“少即多”的設計理念被借鋻於電催化析氫材料設計工作，近日由貴州省奈米材料模擬與計算重點實驗室副教授鄧明森和中科大教授熊宇傑、江俊課題組共同完成的《電催化析氫材料設計取得突破性進展：Less is more》近日在德國應用化學雜誌《Angewandte Chemie》上發表，並被該期刊以封底形式加以介紹。
電催化析氫反應是在金屬電極表面放氫腐蝕的陰極過程，是在可逆氫燃料電池中産氫的重要過程。金屬鉑是該系列反應中最具催化活性的金屬材料，然而其高成本促使人們一直在尋找降低鉑用量的方法。迄今為止，業界還未能開發出降低鉑用量且保持高電催化活性的技術。
鄧明森、熊宇傑、江俊團隊通過理論模擬方法研究金屬鉑和鈀的界面，發現此兩種金屬功函數的差異會導致金屬鉑表面産生極化作用，從而在其表面聚集負電荷，有利於促進析氫反應的發生。進一步尺寸依賴性研究表明，該極化作用隨著鉑層厚度的增加而減弱，因此可以通過鉑層厚度控制來調控電催化析氫性能。基於該發現，研究人員設計了一類鉑—鈀—石墨烯疊層複合結構，併發展了鉑層厚度精準控制的合成方法，製造出一系列鉑層可調的複合結構。正如理論模擬所預計，該系列複合結構在電催化析氫反應中展現出可調變的性能，當鉑層厚度控制在4個原子層範圍內時達到性能最高值，其-300 mV電壓下的電流密度791 mA cm-2和塔菲爾斜率10 mV decade-1遠優於目前商用的鉑碳電極材料。
據介紹，該突破性進展使得業界將能夠在降低金屬鉑用量的同時極大地提高電催化析氫活性，為開發低成本、高性能電催化材料鋪平了道路。該研究發現有助於加深人們對複合結構材料中電荷極化行為和機制的認識，也對複合結構電催化劑的理性設計具有重要推動作用。
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