南京大学郭学锋教授/东南大学王金兰教授/中南大学刘敏教授，ACB研究论文：氮氧掺杂碳纳米笼介导的高效电催化产氢催化剂- 大数跨境

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南京大学郭学锋教授/东南大学王金兰教授/中南大学刘敏教授，ACB研究论文：氮氧掺杂碳纳米笼介导的高效电催化产氢催化剂

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2021-12-16

导读：该研究报道构建了氮氧掺杂碳纳米笼（N,O-C）限域IrNi金属颗粒的介观结构非均相催化剂

文章信息

N,O-C Nanocage-mediated high-efficient hydrogen evolution reaction on

IrNi@N,O-C electrocatalyst

第一作者：陈善勇，王始彦

通讯作者：郭学锋*，王金兰*，刘敏*

单位：南京大学，东南大学，中南大学

研究背景

电催化水分解是生产氢气的高效环保方式，目前在高电流密度工况下仍然欠缺高活性高稳定性催化剂。目前的催化剂开发着重于通过调变催化剂几何及电子结构优化本征催化活性，例如合金策略调节应力和原子配位环境，掺杂手段调控氢的吸脱附强度等，较少关注电催化HER过程反应动力学的提高。

自然界的[FeFe] 氢化酶中，活性中心周围的有机官能团可吸附转移氢质子至活性中心，从而加快反应动力学和产氢性能。受此启发，本研究构造氮氧掺杂碳纳米笼（N,O-C）限域IrNi金属颗粒的介观结构非均相催化剂（IrNi@N,O-C），通过N,O-C富集质子浓度，提高HER动力学和催化性能。

文章简介

在这里，来自南京大学郭学锋教授/东南大学王金兰教授/中南大学刘敏教授合作，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“N,O-C Nanocage-mediated high-efficient hydrogen evolution reaction on IrNi@N,O-C electrocatalyst”的研究论文。

该研究报道构建了氮氧掺杂碳纳米笼（N,O-C）限域IrNi金属颗粒的介观结构非均相催化剂（IrNi@N,O-C），同时实现了电催化HER反应动力学和稳定性的提高。

图1. 氢化酶的吸附转移氢机制，IrNi@N,O-C上的HER机制及理论水吸附模拟计算

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本文要点

要点一：限域结构IrNi@N,O-C催化剂的开发

采用花状氢氧化镍纳米片作为反应性多功能模板，制备了氮氧共掺杂碳纳米笼限域IrNi合金颗粒的介观结构催化剂，其中碳笼尺寸约为15 nm，IrNi合金颗粒约为4 nm。通过变角TEM测试发现，在不同角度下的TEM照片中IrNi颗粒都被N,O-C纳米笼包围，确认了限域结构。

进一步表征发现N,O-C纳米笼存在1.3 nm作为缺陷孔，可作为HER的传质通道，同时，N,O-C纳米笼与IrNi颗粒间存在较强相互作用。

图2. IrNi@N,O-C催化剂的制备与结构表征

要点二：IrNi@N,O-C高效的电催化HER性能

在电催化HER反应中，IrNi@N,O-C展现远优于负载型IrNi/C和商业Pt/C催化剂的活性。具体来说，IrNi@N,O-C达到10 和100 mA cm^-2电流密度所需的过电位仅为6和22 mV，远低于IrNi/C催化剂的26 和 120 mV。IrNi@N,O-C在−0.025 V 电位下展现高TOF（5.33 H2 s⁻¹）分别是Pt/C和IrNi/C催化剂的6倍和18倍。

同时，和目前报道的Ir基催化剂相比，IrNi@N,O-C展现高质量活性（4.68 A mg_Ir⁻¹）和接近100%产氢法拉第效率。值得注意的是，IrNi@N,O-C具有低Tafel斜率（18 mV dec^-1），基于该快速HER动力学过程，IrNi@N,O-C达到1000 mA cm^-2所需过电位仅为267 mV，同时在大电流密度下保持长时间稳定性。

图3. IrNi@N,O-C的HER性能

要点三：反应机制与理论探究

FT-IR光谱和接触角测试发现氮氧共掺杂有利于催化剂表面亲和电解质，同时通过CV测试发现氮氧官能团与氢质子会发生可逆的氧化还原反应，这可能有助于氢质子在碳纳米笼中的富集。

进一步的原位EIS图谱表明，相较于IrNi/C，IrNi@N,O-C 催化剂表面的吸附氢浓度显著提高，进一步表明N,O-C富集并提高吸附H*反应动力学过程。DFT理论计算表明，在含氧官能团的协助下，H+的吸附过程是热力学有利的，继而在IrNi活性颗粒上的ΔGH*远低于IrNi/C和Pt/C催化剂，与催化剂的HER性能趋势一致。

总而言之，实验结果和计算结果证实了在IrNi@N,O-C 催化剂上N,O-C介导提高的反应动力学和HER电催化性能，该过程与氢化酶的析氢机制类似。

图4. DFT计算与理论模拟

文章链接

N,O-C Nanocage-mediated high-efficient hydrogen evolution reaction on

IrNi@N,O-C electrocatalyst

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321011218

通讯作者简介

郭学锋教授

1995年浙江大学生物化学工程专业毕业，1995年～2000年在南京大学化学系学习并获得物理化学理学博士学位，2001年3月～2003年10月先后为香港浸会大学、法国Montpellier University II博士后，2009年～2010年在美国明尼苏达大学（双城）化工系访问（华英学者）。2010年底任教授、博士生导师。长期从事新型纳米结构材料与化学,催化（介观）新材料，绿色（工业）催化以及新型储能材料等领域的研究，已在Science Advances, Angew. Chem. Int.Ed.、J.Am.Chem.Soc.、ACS Catalysis、ACS Energy Letters、ACS Nano、Appl.Catal.B: Environ.，Green Chem、Chem. Commun.、Langmuir、J.Phys.Chem.C等国际刊物上发表SCI论文一百余篇，被他引4500余次。已获授权国家发明专利16项，指导学生获得了第二届江苏省女大学生创业设计大赛唯一的特等奖。2018年起任南京大学-北京唐颐惠康再生医学校企联合创新中心主任。

王金兰教授

2002年毕业于南京大学物理系，获博士学位。2003-2005年在美国Argonne 国家实验室化学部从事博士后研究。2005年底由东南大学引进。2006年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2013年获江苏省杰出青年基金、2015年获国家杰出青年基金、2016年获江苏省“333”领军人才支持计划，2018年入选国务院特殊津贴专家。2021年入选英国皇家化学学会会士。长期从事低维材料结构与物理化学性质的理论研究工作，提出了单原子催化裁剪和应力定向裁剪两种制备石墨烯纳米带的方法；建立了硫化钼缺陷态主导的电子输运机制与通过缺陷工程大幅提升其光电性能的全新思路；揭示了黑磷的完整降解机制，提出了几种保护黑磷的策略并被实验证实；设计了数种新型低维功能材料。主持多项国家自然科学基金与国家重点研发计划。在包括Nature Nanotechnology、Nature Communications、J. Am. Chem. Soc，Angew. Chem. Int. Ed，Adv Mater等重要刊物上发表学术论文200余篇，论文他引超过13000次，连续八年入选Elsevier中国高被引学者名单，目前担任英国皇家化学会旗下Nanoscale期刊副主编、Nanoscale Horizons期刊科学编辑以及国内外多家主流期刊编委。

刘敏教授

入选国家引进海外杰出人才，国家重点研发计划国际合作项目首席科学家，湖南省杰出青年，湖南省“青年百人计划”，湖南省科技创新平台与人才计划，长沙市国家级领军人才，粉末冶金国家重点实验室、超微结构与超快过程湖南省重点实验室、化学电源湖南省重点实验室成员。湖南师范大学理学学士、硕士，中科院电工所工学博士。2010-2013年日本东京大学Kazuhito Hashimoto（桥本和仁，现NIMS理事长）研究室特聘研究员、2013-2015，东京大学Kazunari Domen（堂免一成）研究室主任研究员，2015-2017年加拿大多伦多大学Ted Sargent组博士后，之后加入中南大学。近年来在能源转化、催化材料及器件领域取得了多项创新成果，在Nature, Science, Nature Nanotechnology, Nature Photonics, Nature Chemistry, Nature Communications, Science Advances, Joule等国际权威学术期刊上发表论文110余篇，论文他引>6600次，H-因子为42, 相关研究成果多次被 Science Daily, Science News, Phys.org, 福布斯等新闻媒体报道。担任20余个国际主要学术期刊审稿人。申请中国、加拿大日本发明专利20余项，其中13项已经授权。博士毕业论文被评为2011年中科院优秀博士论文。

第一作者介绍

陈善勇，2015年本科毕业于中南大学，2020年博士毕业于南京大学化学化工学院物理化学系。主要从事碳基催化剂的结构设计、活性位点识别、可控合成及（电）催化性能研究，以第一作者/通讯作者身份在Angewandte Chemie International Edition，Applied Catalysis B: Environmental， ACS Applied Materials & Interfaces，Chemical Engineer Journal，ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Journal of Energy Chemistry，Applied Surface Science等国内外期刊发表论文9篇，主持中国博士后科学基金面上项目一项。

王始彦，2018年9月至今在东南大学王金兰教授课题组攻读博士学位，主要从事新材料多尺度模拟与设计方向的研究。目前以第一或共同第一作者在ACS central science, Applied Catalysis B: Environmental, Nanoscale Horizons, Journal of Materials Chemistry A等期刊发表论文8篇。