中國科大電催化析氫材料設計取得進展

　　“Less is more”是著名建筑師米斯×凡德洛說過的一句話，這種“少即多”的設計理念是提倡形式簡單而反對過度浮華，認為簡單的東西往往帶給人們更多的享受。這個設計理念能否在材料科學領域有借鑒價值？近日，中國科學技術大學熊宇杰教授課題組完成的一項工作充分說明了“少即多”設計在電催化析氫材料設計方面的優越性。此成果發表在《德國應用化學雜志》。

　　眾所周知，氫能具有非常高的能量密度和極低的環境污染，對于潔凈能源的利用開發是至關重要的。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產氫的重要過程。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。

　　研究人員針對該瓶頸，設計了一類鉑-鈀-石墨烯疊層復合結構，并發展了鉑層厚度精準控制的合成方法，從而構筑得到一系列鉑層厚度可控的復合結構。該系列復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個原子層范圍內時達到性能最高值，-300 mV電壓下的電流密度791 mA cm^-2和塔菲爾斜率10 mV decade^-1遠優于目前商用的鉑碳電極材料。中國科大江俊教授課題組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產生極化作用，從而在其表面聚集負電荷，有利于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，因此在實驗上可通過鉑層厚度控制手段來調控電催化析氫性能。該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。該研究發現有助于加深人們對復合結構材料中電荷極化行為和機制的認識，也對復合結構電催化劑的理性設計具有重要推動作用。

　　上述研究工作得到了科技部“973”計劃、國家自然科學基金、國家青年千人計劃、中科院百人計劃等項目的資助。