张铁锐研究员Nano Energy：水下超疏气Ni/NiMoN纳米线阵列实现中性条件下的高效析氢- 大数跨境

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张铁锐研究员Nano Energy：水下超疏气Ni/NiMoN纳米线阵列实现中性条件下的高效析氢

科学材料站

2020-09-19

导读：该工作提出了一种简单的氮化处理，将易于制备的NiMoO4纳米线阵列转化为镍纳米粒子修饰的氮化镍钼纳米线阵列。该催化剂一方面利用镍纳米颗粒和氮化镍钼协同作用在分子层面快速分解水制氢，另一方面利用纳米线阵

文章信息

水下超疏气镍纳米粒子修饰的氮化镍钼纳米线阵列用于中性电解水析氢

第一作者：尚露

通讯作者：张铁锐*

单位：中国科学院理化技术研究所

研究背景

利用绿色电力（风力发电、水力发电或太阳能发电等）驱动电解水制氢是大规模制氢最清洁和可持续的方法之一。析氢反应(HER)是整个电解水过程中的关键反应。通常HER催化剂的开发集中在酸性电解质中具有活性的电催化剂上，但在酸性条件下，HER电极和对电极都容易腐蚀，从而影响整体的水分解性能和稳定性。

而在中性条件下实现电解水可以避免以上问题的同时，还意味着雨水、废水和丰富的海水可以用作H2原料。然而，寻找在中性电解质中具有高活性、高稳定性的HER非贵金属电催化剂仍是研究领域内的重要挑战。

文章简介

近日，中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员课题组在国际著名期刊Nano Energy(影响因子：16.602) 上发表题为“Underwater Superaerophobic Ni Nanoparticle-Decorated Nickel-Molybdenum Nitride Nanowire Arrays for Hydrogen Evolution in Neutral Media”的研究工作。

该工作提出了一种简单的氮化处理，将易于制备的NiMoO4纳米线阵列转化为镍纳米粒子修饰的氮化镍钼纳米线阵列。该催化剂一方面利用镍纳米颗粒和氮化镍钼协同作用在分子层面快速分解水制氢，另一方面利用纳米线阵列的水下超疏气特性快速释放生成的氢气气泡，减少死面积。因此催化剂在中性电解质中表现出优异的HER性能。

本文要点

要点一：本文通过简单的氮化处理在泡沫铜基底上构筑镍纳米粒子修饰的氮化镍钼纳米线阵列。该阵列催化剂在中性电解质中表现出优异的HER性能(电流密度为10 mA cm-2时过电位为37 mV)。

要点二：这一优秀表现的关键在于：（1）氮化镍钼纳米线具有较高的本征HER活性，能将质子快速转化成氢气；（2）表面镍纳米粒子促进了吸附水的解离，为氮化镍钼的后续析氢反应提供质子；（3）纳米线阵列的水下超疏气特性，抑制了氢气气泡在HER过程中在催化剂表面的粘附，减少死面积，提高催化效率。

要点三：本研究展示了提高非贵金属基催化剂在中性条件下HER性能的几种重要策略，即引入水解离催化剂(本工作利用的是镍纳米粒子)，并采用具有水下超疏气特性的阵列结构减少气泡吸附。这些策略将有望进一步应用于其他酸性体系开发的非贵金属HER催化材料，为实现低成本、高效率的中性HER电催化提供思路。

视频展示

Video 1: 泡沫铜 HER过程

Video 2: Ni-NiMoN纳米线阵列HER过程

文章链接

Underwater superaerophobic Ni nanoparticle-decorated nickel–molybdenum nitride nanowire arrays for hydrogen evolution in neutral media

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520309526

通讯作者介绍

张铁锐，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师。

中国科学院光化学转换与功能材料重点实验室主任。吉林大学化学学士（1994-1998），吉林大学有机化学博士（1998-2003）。之后，在德国（2003-2004）、加拿大（2004-2005）和美国（2005-2009）进行博士后研究。2009年底受聘为中国科学院理化技术研究所研究员。主要从事能量转换纳米催化材料方面的研究，在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、JACS等期刊上发表SCI论文200余篇，被引用16000多次，H指数68，入选2018、2019科睿唯安“全球高被引科学家”榜单；授权国家发明专利28项，在国际会议上做特邀报告40余次。2017年当选英国皇家化学会会士。曾获国家基金委“杰青”、英国皇家学会高级牛顿学者、德国“洪堡”学者基金等资助、以及Nano Research Young Innovators Award in NanoEnergy 2019和太阳能光化学与光催化领域优秀青年奖等奖项。兼任Science Bulletin副主编以及Advanced Energy Materials、Advanced Science、Solar RRL、Scientific Reports、Materials Chemistry Frontiers、ChemPhysChem、Carbon Energy、Innovation、SmartMat等期刊编委。

现任中国材料研究学会青年工作委员会-常委，中国感光学会青年工作委员会-主任，中国化学会青年工作者委员会-委员等学术职务。

尚露，中国科学院理化技术研究所项目研究员，硕士生导师。

入选中国科学院青年创新促进会。2013年于中国科学院理化技术研究所获得博士学位后留所参加工作，目前主要从事纳米/单原子催化剂的设计和合成及其在能源储存/转换系统中的应用研究，如水分解、燃料电池和二氧化碳还原。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem.等SCI期刊发表论文40余篇，被引4000余次，H指数31。申请发明专利14项（已授权8项）。研究工作得到了国际同行的广泛关注和积极评价，1篇被评为2014年中国百篇最具影响国际学术论文；多次被中国科学报、MaterialsViews、ACS Cutting-Edge Chemistry等国内外学术新闻媒体选为研究亮点报道。

课题组介绍

http://zhanglab.ipc.ac.cn/