吳凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

鐵摻雜磷化鈷納米陣列作為多功能析氫催化劑

吳凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

化石燃料的快速消耗及其帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題迫使人們尋找可替代的再生能源。氫氣作為一種清潔的可再生能源，有望在未來(lái)成為化石燃料的替代品。目前，工業(yè)上制氫主要采用催化水蒸氣重整、煤氣化及石油裂解等方法，但這些方法存在一些缺點(diǎn)，如能耗高、制備的氫氣不純、排放出大量二氧化碳等。堿性條件下電解水制氫具有操作方便、自動(dòng)化程度高、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種制備高純氫氣的有效途徑，但需要催化劑以降低陰極析氫過(guò)電勢(shì)和陽(yáng)極析氧過(guò)電勢(shì)1。硼氫化物如硼氫化鈉、氨硼烷和硼氫化鋰的催化水解提供了另一個(gè)環(huán)境友好的制氫途徑。其中，硼氫化鈉由于具有理論氫容量高、無(wú)毒、環(huán)境友好及在堿性溶液中穩(wěn)定存在等優(yōu)點(diǎn)，成為理想的水解制氫材料。然而這兩種技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用都需使用高效穩(wěn)定且價(jià)格低廉的催化劑。

過(guò)渡金屬磷化物是磷原子進(jìn)入過(guò)渡金屬晶格而形成的間隙化合物，由于具有極強(qiáng)的導(dǎo)電性、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，可作為性能優(yōu)異的電極材料用于電催化及傳感領(lǐng)域。表面活性劑的存在會(huì)阻礙催化劑表面的活性位點(diǎn)而降低催化效率，因此，無(wú)表面活性劑過(guò)渡金屬磷化物納米結(jié)構(gòu)的制備是其在催化及分析應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。四川大學(xué)孫旭平教授課題組發(fā)展的保形磷化策略解決了這一難題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)表面活性劑過(guò)渡金屬磷化物納米結(jié)構(gòu)及陣列的可控制備，并成功用于酸性溶液中高效催化質(zhì)子電還原制氫2－6及高靈敏、高選擇性核酸和葡萄糖分析檢測(cè)7,8。

Advanced Materials最近刊出了孫旭平教授課題組的另一研究成果9。他們?cè)趯?dǎo)電基底鈦片上開(kāi)發(fā)了鐵摻雜的磷化鈷納米陣列(Fe-CoP/Ti)催化電極，這種單片集成電極在堿性水電解環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)于磷化鈷納米陣列的催化性。Fe-CoP/Ti電極達(dá)到電流密度10 mA·cm－2時(shí)僅需78 mV析氫過(guò)電勢(shì)和230 mV析氧過(guò)電勢(shì)。在兩電極電解池中，只需池電壓l.6 V可達(dá)到電流密度10 mA·cm－2。此外，F(xiàn)e-CoP/Ti在堿性環(huán)境中對(duì)硼氫化鈉水解也具有高的催化活性和優(yōu)越的重復(fù)使用性。在百分之一的硼氫化鈉溶液中，在25°C時(shí)其活化能低至39.6 kJ·mol－1，產(chǎn)氫速率達(dá)6.06 L·min－1·g－1。本工作為高效、穩(wěn)定、多功能的雜原子摻雜過(guò)度金屬磷化物納米陣列催化劑開(kāi)發(fā)提供了新思路。

(1) Wang,J.;Cui,W.;Liu,Q.;Xing,Z.;Asiri,A.M.;Sun,X.Adv. Mater.2016,28,215.doi:10.1002/adma.201502696

(2) Tian,J.;Liu,Q.;Asiri,A.M.;Sun,X.J.Am.Chem.Soc.2014, 136,7587.doi:10.1021/ja503372r

(3) Liu,Q.;Tian,J.;Asiri,A.M.;Sun,X.Angew.Chem.Int.Ed. 2014,53,6710.doi:10.1002/anie.201404161

(4) Tian,J.;Liu,Q.;Cheng,N.;Asiri,A.M.;Sun,X.Angew.Chem. Int.Ed.2014,53,9577.doi:10.1002/anie.201403842

(5) Jiang,P.;Liu,Q.;Liang,Y.;Tian,J.;Asiri,A.M.;Sun,X.Angew. Chem.Int.Ed.2014,53,12855.doi:10.1002/anie.201406848

(6) Tang,C.;Gan,L.;Zhang,R.;Lu,W.;Jiang,X.;Asiri,A.M.;Sun, X.;Wang,J.;Chen,L.Nano Lett.2016,16,6617.doi:10.1021/acs.nanolett.6b03332

(7) Tian,J.;Cheng,N.;Xing,W.;Sun,X.Angew.Chem.Int.Ed. 2015,54,5493.doi:10.1002/anie.201501237

(8) Chen,T.;Liu,D.;Lu,W.;Wang,K.;Du,G.;Asiri,A.M.;Sun,X. Anal.Chem.2016,88,7885.doi:10.1021/acs.analchem.6b02216

(9) Tang,C.;Zhang,R.;Lu,W.;He,L.;Jiang,X.;Asiri,A.M.;Sun, X.Adv.Mater.2016,doi:10.1002/adma.201602441

10.3866/PKU.WHXB201611081