NML综述｜用于碱性析氢反应的异质结构型电催化剂

Pt在酸性溶液是良好的析氢催化剂，但并不擅长将水分子分解为氢离子和氢氧根。相反，Ni基材料能够高效的裂解水分子中的O-H键，然而其表面析氢能力弱于Pt。

基于此，Markovic等人构造了Pt/Ni(OH)₂纳米异质结构用于碱性HER，其中水分解反应发生于Ni(OH)₂纳米团簇边缘处，而后续的析氢过程发生于Pt表面，二者的协同效应使其催化活性提高至不含Ni(OH)₂团簇的Pt催化剂的7倍（图2）。

3 非贵金属异质结构碱性HER催化剂

▲ 图5 MoS2/NiCo-LDH异质结构型碱性HER催化剂。表面积归一化的极化曲线(A)，DFT计算得到的各反应步骤的自由能(B)，和催化机理示意图(C)。

考虑到贵金属的高昂价格和有限储量，许多的研究工作致力于发展非贵金属的异质结构型碱性HER催化剂。其中，MoS₂作为廉价HER催化剂的代表，亦作为构成单元，被广泛应用于构建非贵金属异质结构（图5）。

4 加快Volmer步骤反应速率的策略

▲ 图6 α-或β-Ni(OH)₂/Pt电极表面对H₂O、H和H₂的吸附自由能(A)，相应电极表面Volmer和Heyrovsky步骤的吸附自由能相图(B)，和不同电极表面的局域态密度(C)。

大量研究表明，碱性HER过程中的决速步是Volmer步骤。因而，加速该步骤的反应速率可以有效提升异质结构的催化活性。

Markovic等人提出，对于3d金属氢氧化物而言，Volmer步骤的催化效率取决于其对OH^–的吸附能力：过强的吸附导致催化剂表面OH^–的聚集，阻碍了水分解反应的进一步进行。

其中，氢氧化镍表面的OH^–吸附能力最弱（Ni < Co < Fe < Mn），因此其与Pt组成的异质结构具有最好的催化活性。

最近的研究显示，氢氧化镍的水分解效率与其晶体结构有关，β-Ni(OH)₂/Pt复合电极的碱性HER催化活性要高于α-Ni(OH)₂/Pt电极（图6）。

主要研究领域：

过渡金属化合物纳米材料的可控制备、性能研究与机理探索。

主页链接：

http://wlxy.yzu.edu.cn/art/2014/10/25/art_26001_466212.html

主要研究领域：

电催化，电化学材料的原位表征，能源存储材料与器件，电化学传感器，磁性纳米材料，可持续性材料。

主页链接：

http://www.ntu.edu.sg/home/xuzc/People.html

1 高析氢+超级电容双功能材料：MoS2纳米片/3D石墨烯空心球复合结构

2 泡沫镍表面生长三维钴锰硫化物纳米片：双功能水裂解电催化剂

3 新型Co3O4纳米颗粒/氮掺杂碳复合材料：优异析氧反应催化活性

Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。

E-mail：editorial_office@nmletters.org

Tel：86-21-34207624