一种新型高效稳定的电解水催化剂

        研究表明双杂原子掺杂的自生长碳纳米管包裹核壳结构的纳米颗粒，可以有效抑制催化剂的降解、同时促进电子的传输。基于此，广州大学刘兆清教授课题组等开发了一种新型高效稳定的电解水催化剂，该催化剂应用于电解水，展示了优异的催化活性和稳定性。相应文章近期已在Sci. Bull.第17期出版。

长按识别二维码，阅读全文

目前主流的电解水催化剂是贵金属 (Pt, RuO₂,IrO₂)，其催化活性高、过电势低、催化动力学好，但成本高、循环稳定性差。采用廉价和储量丰富的非贵金属替代稀有的贵金属作为催化剂，实现重要能源的高效转化是当今催化科学和化学化工研究的热点。然而在一些苛刻的反应条件下，非贵金属的稳定性是一个亟待解决的关键科学问题。为了提高过渡金属催化剂的稳定性，可以考虑引入碳层保护，但是传统方法引入的碳层结构与过渡金属化合物的接触并不紧密，易发生腐蚀和脱落。因此，开发一种新型的方法使得过渡金属化合物和碳层结构紧密结合，以提升金属活性粒子的结构稳定性，并确保过渡金属粒子的活性位点能够稳定地显露出来是亟待解决的关键问题。

最近，广州大学刘兆清教授课题组等通过利用过渡金属钴诱导氮掺杂碳纳米管的自生长，进一步硫化以将硫掺杂到碳纳米管框架中并且诱导核壳结构S,N-CNTs/CoS₂@Co的形成。对于析氢反应，上述材料仅需112mV的过电位即可达到10 mA cm^–2电流密度；对于产氧反应，仅需340mV的极低过电位即可获得相同的电流密度。作为阴极和阳极，S, N-CNTs/CoS₂@Co可以快速解离水分子以产生氢气和氧气，仅需要1.633V达到10 mA cm^–2的电流密度，并且在不同电流密度下仍然保持高的稳定性。

1

硫、氮共掺杂碳纳米管包裹核壳结构纳米颗粒合成示意图及其物理表征

2

全解水机理示意图及其催化性能和稳定性测试

该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学重点基金、广东省科技计划、广东省高校特色创新、广州市科技计划、广州大学首批青年拔尖人才计划以及澳大利亚ARC等项目的资助。

论文信息

S, N co-doped carbon nanotube-encapsulated core-shelled CoS₂@Co nanoparticles: efficient and stable bifunctional catalysts for overall water splitting

Jing-Yu Wang, Ting Ouyang, Nan Li, Tianyi Ma, Zhao-Qing Liu

Science Bulletin, 63(17): 1130-1140

相关报道