北大工学院郭少军以通信作者在天然·通信上发表紧张研究效果

近日，北京大学工学院郭少军研究员和苏州大学、美国加州大学相干研究人员的联合团队在电解水产氢（hydrogen evolution reaction, HER）催化剂研究方面取得突破。该工作首先通过化学油相合成PtNi合金纳米线，再通过硫化形成有利于产氢的界面：PtNi/NiS，体现出十分杰出的HER活性，最后基于量化计算效果证实NiS的存在有利于碱性条件下水分子的裂解。此工作强调了金属/硫化物界面对电催化产氢的紧张性。该合作成果发表在最新一期的国际权威学术期刊《天然·通信》(Nature Communications)上（链接：http://www.nature.com/articles/ncomms14580）。

化石能源（煤、石油和自然气）的广泛行使是工业革命的标志之一，也驱动着人类社会文明曩昔所未有的速度发展；然而，其所引起的副作用也是尤为明显的。首先，化石能源不可再生，凸显了当今社会的能源短缺题目；其次，化石资源非清洁能源，为地球生态带来了诸如酸雨、雾霾等环境污染题目。因此，社会的可持续发展必要追求更为清洁且可再生的替换能源。氢是宇宙中广泛存在的元素，且被行使后的产物仅为水，因此被认为是将来最理想的能源情势。氢气的来源多样化，其中通过电化学体例催化分解水因为服从高和可操作性强等好处广受关注。目前，电催化制氢通常选用贵金属铂作为催化材料，较高的成本是制约该技术走向规模化应用的重要停滞。因此，迫切必要开发产氢服从更高的电催化材料，以降低铂的用量。

通过研究电解水制氢的反应机理，郭少军研究员等熟悉到在碱性条件下水分子的断键是整个反应的速控步骤，而铂无法有用地断开水分子中的H-OH键，所以电催化活性较低。为解决这一题目，他们在不同成分的PtNi纳米线外观引入NiS纳米颗粒，修建有利于HER进行的Pt/NiS界面。NiS的存在有利于断裂H-OH键，可直接为附近的Pt位点提供氢离子，该协同系统极大地促进了碱性条件下HER的进行。随后的实验证明：在电解质pH=14的环境中，该催化剂在过电势为0.07 V时的电流密度达到 37.2 mA/cm²，较商业碳载铂催化剂高出近10倍。密度泛函理论计算发现，NiS外观确有利于水分子的断键。此工作强调了金属/硫化物界面对于电催化HER的紧张性。

该工作在北京大学、苏州大学和美国加州州立大学三个单位的紧密合作下完成。郭少军、Gang Lu、黄小青依次为论文的通信作者。该项目得到北京大学工程科学与技术创新高精尖中间基金、科技部重点研发计划和国家天然科学基金等支撑。

PtNi/NiS纳米线电催化剂的邃密结构分析及碱性条件下析氢反应的电催化性能评价

密度泛函理论计算模仿析氢反应历程图

编辑：安宁