辽大熊英、吉大杨英威、武科大梁峰AFM：超分子大环为碳源的催化材料用于高效电解水制氢

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为缓解日益紧张的能源需求和环境污染等问题，发展新型可再生能源势在必行。氢能作为一种新型清洁能源，近年来已经引起了越来越多人的关注。在现有的制氢技术中，电解水制氢因具有操作简单、氢纯度高和可持续等特点，被认为是最具前景的产氢技术之一。然而，在电解水的过程中，阴极析氢反应（HER）缓慢的动力学以及低的能量转化率，极大程度上限制了该技术的发展。因此，开发具有高效析氢反应活性且在宽pH范围内通用的电催化材料成为了HER领域的研究热点和重点。

近日，辽宁大学熊英教授、吉林大学杨英威教授和武汉科技大学梁峰教授团队在电解水制氢方面取得新进展，该项工作使用葫芦脲作为碳源，探究了超分子大环化合物在水分解方面的应用，相关成果以标题为“Iridium-Doped N-Rich Mesoporous Carbon Electrocatalyst with Synthetic Macrocycles as Carbon Source for Hydrogen Evolution Reaction”发表在《Advanced Functional Materials》期刊上（DOI:10.1002/adfm.202105562）。文章第一作者为辽宁大学和吉林大学联培博士生肖欣。

 图1 铱（Ir）装载的葫芦[6]脲为碳源的电催化剂CBC-Ir的合成示意图。

与传统的碳源材料如石墨烯、碳纳米管、MOFs或其他类型的碳源相比，葫芦脲自身具有独特的自组装孔结构、丰富的氮掺杂骨架以及高的金属离子亲和力等特点，这些独特的性质能够有效地促进电子的传输。因此超分子合成大环葫芦脲被认为是一种极有前景的制备高效碳基材料的前驱体。该项工作使用葫芦脲作为碳源，结合贵金属铱（Ir），无需添加额外的氮源或造孔模板，制备了一系列Ir纳米簇装载的氮掺杂的介孔碳材料（CBC-Ir），并将其应用于电解水制氢。得益于葫芦脲独特的孔结构以及丰富的异质氮掺杂，所制备的催化剂能够暴露并产生更多的HER活性位点，有效地提高了材料的固有催化性能。通过优化材料的合成条件如煅烧温度（800 ℃）和金属铱的加入量（1.2 mg），得到的最佳材料CBC-Ir-800-1.2展现出超高的电催化活性，在0.5 M H₂SO₄和1.0 M KOH的电解质条件下，电流密度为10 mA cm^-2时，其过电位仅为17和33 mV。该催化性能远优于使用其他碳源所制备的催化材料如CNT-Ir-800-1.2（48.3/169.1 mV）、GO-Ir-800-1.2（90.3/221.7 mV）、ZIF-Ir-900-1.2（39.3/149.1 mV）甚至是商用Pt/C（28/43 mV）。此外，无论是在0.5 M H₂SO₄还是1.0 M KOH的条件下，CBC-Ir-800-1.2均具有良好的稳定性，超高的法拉第产氢效率（91.5%和92.7%）以及优异的转换频率（2.1和0.69 H₂s⁻¹）。

 图2 在0.5 M H₂SO₄溶液中不同碳源所制备催化剂的电催化性能对比：（a）HER极化曲线，（b）极化曲线所对应的塔菲尔斜率，（c）双电层电容，（d）电化学阻抗，（e）质量比活性以及（f）法拉第效率。

 图3 在1.0 M KOH溶液中不同碳源所制备催化剂的电催化性能对比：（a）HER极化曲线，（b）极化曲线所对应的塔菲尔斜率，（c）双电层电容，（d）电化学阻抗，（e）质量比活性以及（f）法拉第效率。

该项工作不仅扩展了超分子合成大环在电催化水分解方面的应用，而且也为合理设计和研发具有高催化性能的碳基电极材料提供了新的研究思路。

该工作得到了国家自然科学基金（21871108、51674131和21373005）、吉林省省校共建项目-新材料专项（SXGJSF2017-3）、辽宁省自然科学基金（2019157）、国家科技部（2015BAB02B03）以及辽宁大学自然科学基金（LDGY2019009、LDGY2019014）的资助。

相关链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105562

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