电催化析氢材料设计取得突破性进展

        近日，贵州师范学院贵州省纳米材料模拟与计算重点实验室邓明森副教授和中国科学技术大学熊宇杰教授、江俊教授课题组共同完成的电催化析氢材料设计工作《电催化析氢材料设计取得突破性进展：Less is more》发表在化学顶级期刊《Angewandte Chemie》（德国应用化学杂志）（http://dx.doi.org/10.1002/anie.201406468）,并将被期刊以封底的形式加以介绍。
       “Less is more”是著名建筑师米斯?凡德洛说过的一句话，这种“少即多”的设计理念是提倡形式简单而反对过度浮华，认为简单的东西往往带给人们更多的享受。邓教授等人将这一理论借鉴于材料领域。众所周知，氢能具有非常高的能量密度和极低的环境污染，对于洁净能源的利用开发是至关重要的。电催化析氢反应是在金属电极表面放氢腐蚀的阴极过程，是在可逆氢燃料电池中产氢的重要过程。金属铂是该系列反应中最具催化活性的金属材料，然而其高成本促使人们一直在寻找降低铂用量的方法。迄今为止，业界还未能开发出降低铂用量且保持高电催化活性的技术。
        贵州省纳米材料模拟与计算重点实验室是省科技厅2011年投入150万元建立的省级重点实验室，旨在针对国家关于精准量子调控科学前沿以及我省在新材料新能源方面的战略需求，开展微尺度材料学科前沿研究，达到在物质科学领域具备持续创新能力。通过近几年科技厅的平台搭建以及项目扶持，已经建成了高性能计算集群建设，逐步达到国内同类实验室先进水平，在分子-纳米电子学、光催化与纳米催化、表界面物理与化学等领域初步显露较佳水平。
        此次，研究人员针对该瓶颈，通过理论模拟方法研究金属铂和钯的界面，发现此两种金属功函数的差异会导致金属铂表面产生极化作用，从而在其表面聚集负电荷，有利于促进析氢反应的发生。进一步尺寸依赖性研究表明，该极化作用随着铂层厚度的增加而减弱，因此可以通过铂层厚度控制来调控电催化析氢性能。基于该发现，研究人员设计了一类铂-钯-石墨烯叠层复合结构，并发展了铂层厚度精准控制的合成方法，制造出一系列铂层可调的复合结构。正如理论模拟所预计，该系列复合结构在电催化析氢反应中展现出可调变的性能，当铂层厚度控制在4个原子层范围内时达到性能最高值，其-300 mV电压下的电流密度791 mA cm-2和塔菲尔斜率10 mV decade-1远优于目前商用的铂碳电极材料。该突破性进展使得业界将能够在降低金属铂用量的同时极大地提高电催化析氢活性，为开发低成本、高性能电催化材料铺平了道路。该研究发现有助于加深人们对复合结构材料中电荷极化行为和机制的认识，也对复合结构电催化剂的理性设计具有重要推动作用，大大提升了我省在该学科领域的学科水平。