中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：“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(shè)計(jì)理念是提倡形式簡(jiǎn)單而反對(duì)過度浮華，認(rèn)為簡(jiǎn)單的東西往往帶給人們更多的享受。這個(gè)設(shè)計(jì)理念能否在材料科學(xué)領(lǐng)域有借鑒價(jià)值？近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授課題組完成的一項(xiàng)工作充分說明了“少即多”設(shè)計(jì)在電催化析氫材料設(shè)計(jì)方面的優(yōu)越性。此成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)雜志》。
眾所周知，氫能具有非常高的能量密度和極低的環(huán)境污染，對(duì)于潔凈能源的利用開發(fā)是至關(guān)重要的。電催化析氫反應(yīng)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(chǎn)氫的重要過程。金屬鉑是該系列反應(yīng)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(yè)界還未能開發(fā)出降低鉑用量且保持高電催化活性的技術(shù)。
研究人員針對(duì)該瓶頸，設(shè)計(jì)了一類鉑-鈀-石墨烯疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)，并發(fā)展了鉑層厚度精準(zhǔn)控制的合成方法，從而構(gòu)筑得到一系列鉑層厚度可控的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該系列復(fù)合結(jié)構(gòu)在電催化析氫反應(yīng)中展現(xiàn)出可調(diào)變的性能，當(dāng)鉑層厚度控制在4個(gè)原子層范圍內(nèi)時(shí)達(dá)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(yuǎn)優(yōu)于目前商用的鉑碳電極材料。中國(guó)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(fā)現(xiàn)此兩種金屬功函數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致金屬鉑表面產(chǎn)生極化作用，從而在其表面聚集負(fù)電荷，有利于促進(jìn)析氫反應(yīng)的發(fā)生。進(jìn)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(shí)驗(yàn)上可通過鉑層厚度控制手段來調(diào)控電催化析氫性能。該進(jìn)展使得業(yè)界將能夠在降低金屬鉑用量的同時(shí)極大地提高電催化析氫活性，為開發(fā)低成本、高性能電催化材料鋪平了道路。該研究發(fā)現(xiàn)有助于加深人們對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中電荷極化行為和機(jī)制的認(rèn)識(shí)，也對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)電催化劑的理性設(shè)計(jì)具有重要推動(dòng)作用。
上述研究工作得到了科技部“973”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家青年千人計(jì)劃、中科院百人計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
電催化析氫材料設(shè)計(jì)工作刊登在Angewandte Chemie 封底
