原位表征技术揭示析氢电催化剂活性中心

发布日期:2017-8-10     浏览次数:1476次    发布者:黄伟珺    

       近日,我院郑南峰、傅钢教授课题组与台湾大学陈浩铭教授课题组合作研究揭示了镍-硫醇配位聚合物析氢电催化材料的活性中心,获得了高性能的镍基碱性析氢电催化材料,相关结果以"In Situ Electrochemical Production of Ultrathin Nickel Nanosheets for Hydrogen Evolution Electrocatalysis"为题,发表在Cell Press旗下的Chem杂志(Chem 2017, 3, 122-133)。

       设计合成高效、价廉的析氢(HER)和析氧(OER)电催化剂是降低电解制氢能耗的关键。近年研究发现,一些过渡金属硫化物可拥有与Pt基催化剂相媲美的优异HER性能。但在电化学工作环境下,过渡金属硫化物的表面组成和结构会发生显著改变,其催化活性位点的指认一直存在很大争议。在该项研究工作中,以导电碳布上生长的氢氧化镍纳米片为模板,通过与对苯二硫酚配体反应,研究者成功合成出具有平面Ni(SR)4配位结构的镍-硫醇配位聚合物纳米片,发现该材料在碱性析氢测试中催化活性随测试时间逐渐加、存在明显诱导期的现象。在保持20mA/cm2的电流密度条件下,析氢所需过电位逐渐降低,约10小时后该催化剂被完全活化,仅需80mV即可达到10mA/cm2的电流密度,高于文献中已报道的过渡金属硫化物的活性。重要的是,该项研究发现经电化学活化后的镍-硫醇聚合物催化剂的结构和组成都发生了明显变化,在TEM和AFM显示纳米片厚度显著减小的同时,元素分析发现硫含量也大幅降低。电化学原位X射线吸收光谱研究表明,活化后的样品中大部分的镍被还原为零价,但表面仍存在少量硫离子,这些表面硫离子可通过静电作用将水合离子吸引到金属表面,进而促进碱性条件下水的解离,有效地降低了HER的过电位。该项工作利用电化学原位X射线吸收技术揭示了镍-硫醇配位聚合物在工作条件下的活性中心,并可为研究非贵金属基电催化剂的原位表面结构提供借鉴。

                                
     该工作的共同第一作者为我院博士生胡程奕和硕士生马秋雨。工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部等部门的大力资助与支持。

      论文链接: http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(17)30224-3