“Ni-C-N”纳米片——一种有可能取代Pt/C的HER催化剂
前言：
如今，电化学热正在席卷整个化学领域。无论是从事纳米材料研究，还是从事传统催化的课题组都纷纷要涉足电化学领域。HER、OER、ORR等相关字眼频繁映入眼帘。无论是JACs、Angew等化学类顶级期刊，还是Nature、Science等宇宙至尊，都能常见电化学研究论文。Prof. Peidong Yang, Younan Xia, Yu Huang等国人熟知的纳米大牛也都投身于其中。对于他们发表的相关论文，我们研之成理进行过一些分享（具体内容请关注文末相关阅读）。这些大牛都是研究贵金属纳米材料，特别是Pt以及PtNi合金在电化学反应（ORR，HER）中的应用。
正文：
本期内容我们分享一篇近期发表在JACs上论文。该论文主要研究非贵金属催化剂在HER中的应用。文题如下：
什么是Hydrogen Evolution Reaction ( HER ):
其实就是电解水产氢的一个电极反应，方程式如下：
HER的催化剂：
对于这一反应，目前发现的催化效果最好的是纳米Pt类。非贵金属类最好的是过渡金属碳化物（比如MoxC、NiC等）。因为过渡金属碳化物吸附氢的能力适中，且费米能级电子密度和贵金属Pt很类似。对于HER的具体过程和催化剂研究现状我们会在后期分享。
这篇JACs的研究对象就是过渡金属碳化物类催化剂。文中通过一种较为简单的方法合成出Ni - C - N三元纳米片（具体合成方法请参见原文，个人觉得方法比较奇怪）。N的引入优化了NiC的电子结构；同时片状结构有利于电子的传输和转移。首先来看看结构表征：
上图a为Ni-C-N催化剂以及对比催化剂(Ni3N，NiC)的XRD图。图中可见Ni-C-N兼具了Ni3N和NiC两者的特征峰。b、e分别为TEM和EDS，d为HR-TEM，e、f为AFM。综合这些表征基本可以确定Ni-C-N为Ni2N和NiC两者的混合物。至于是混合的均匀程度，具体如何结合，文中并没有详述（个人觉得应该在XRD中添加一个Ni3N与NiC的物理混合样作为对比）。
基础结构表征后，作者又通过EXAFS和XPS来表征催化剂中原子的排列和价态状况。如下图：
文中指出EXAFS的结果表明较之Ni-C-N体相材料，Ni-C-N纳米片中结构更加无序（研之成理正在招募擅长XAS相关专业人士，如果你是，请联系我们。We Need You！）。
当然，关键还是在于HER效果如何。先上图：
对于一个用于HER的催化剂，主要通过几个参数来评判催化性能优异与否。它们分别是：Onset Overpotential、Overpotential、Tafel Slop（这三个数值都是越小越好）。从上图a中可以发现：Ni - C - N催化剂的Onset Overpotential为34.7 mV，接近Pt/C催化剂的Onset Overpotential，而其他几个参比样则远远高于这一数值（NiC (105 mV), and Ni3N (110 mV））。在电流密度为-10mA cm−2 时，Ni-C-N的Overpotential（60.9 mV）也远低于NiC（141 mV）和Ni3N（190 mV）。图c中已经标出Tafel Slop（b值），Ni-C-N纳米片的b值为32 mV dec-1，该值接近Pt/C的30 mV dec-1。其他对比样的Slop均在50以上。
因为在产氢过程中，溶液pH值在不断的变化。所以催化剂在不同pH值下适应性变得至关重要。作者分别在酸性、中性和碱性条件下对Ni-C-N纳米片进行测试，结果于上图d。图中可见催化剂在不同pH条件下，各指标都表现不错。
除了催化活性和环境适应性，Ni-C-N纳米片也表现出了出色的稳定性，如下图：
除了正文中的相对比较，在该文的SI中作者还将Ni-C-N纳米片与其他文献中的HER数据相比较（都是非贵金属催化剂）。具体参数请点击文末“阅读全文”
点评：
能源问题导致电化学研究热，特别是各种电催化剂的开发。本文中催化剂的合成过程比较平凡。虽然是纳米片，但是并没有从 “ 纳米 ”角度进行过多的调变（当然也可能调变得手段有限）。合成虽简单，但电催化效果却很优异。我猜测，后期作者还会就这种材料进行深入的催化研究以及纳米片结构或者成分的调控。小编我还是有点疑惑。不知将NiC和Ni3N这两种催化剂充分机械混合后，其催化性能如何？会不会也很好呢？
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