氢气一直被认为是可以用来替代化石能源、绿色可持续的能量载体。相比于碱性电解水制备氢气，酸性体系（例如PEM）电解水具有装置简单、电流密度大、耐高压等优势。然而目前在酸性体系中，组成电解水的两个反应——析氢（HER）和析氧（OER）——所对应的高效催化剂均主要以贵金属为主，贵金属的高成本和稀缺性限制了这些催化剂的广泛应用。开发酸性体系高效稳定的非贵金属HER和OER催化剂是研究的热点。
近日，北京化工大学孙晓明教授课题组在Nature Communications 上发表文章，报道了氮掺杂碳化钨纳米阵列材料可以用作双功能催化剂，在0.5 M硫酸溶液中催化水电解，电解的起始电压在1.4 V左右。碳化钨（WC）一直被认为是一种很有前景的非贵金属HER催化剂，但是碳化钨中的钨与氢形成强W-H键，对HER的催化活性不够理想。作者将电子结构调控（氮掺杂）和超疏气界面的构筑（纳米结构设计）相结合，有效促进了WC在酸性体系中催化HER的活性和稳定性。作者通过密度泛函理论计算发现，相比于WC，N-WC表面对H的吸附能更有利于HER反应。而纳米结构的设计、超疏气界面的构筑，不仅有效提高了活性比表面，更促进了气泡从表面的脱离，从而促进了HER反应持续高效地进行。由于气泡在超疏气界面粘附力小，气泡的产生、脱离对电极造成的破坏减小，从而提高了电极工作的稳定性。该文章报道的N-WC nanoarray催化剂可以在-190 mV vs. RHE实现-200 mA/cm2的HER电流密度。该催化剂在-60 mA/cm2左右工作22 h，电流密度仅衰减0.5%左右。
图1. 计算
图2. 示意图及扫描电镜成像
图3. XRD、透射电镜、XPS、Mapping成像
图4. HER性能表征
图5. HER气泡行为表征
图6. OER表征
图7. 全电解水表征
另外，研究人员还发现，N-WC nanoarray不仅具有优异的HER催化活性，OER催化活性也非常令人瞩目。虽然N-WC nanoarray作为酸性体系的OER催化剂还不够稳定，但是这项工作开辟了OER催化剂新的研究方向。该文章的共同通讯作者为孙晓明教授和刘文教授。
该论文作者为：Nana Han, Ke R. Yang, Zhiyi Lu, Yingjie Li, Wenwen Xu, Tengfei Gao, Zhao Cai, Ying Zhang, Victor S. Batista, Wen Liu and Xiaoming Sun
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Nitrogen-doped tungsten carbide nanoarray as an efficient bifunctional electrocatalyst for water splitting in acid
Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03429-z
导师介绍
孙晓明
http://www.x-mol.com/university/faculty/8729
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