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综述｜用于碱性析氢反应的异质结构型电催化剂: 热度 1 nanomicrolett 2019-5-8 22:52; Heterostructured Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction under Alkaline Conditions Jumeng Wei, Min Zhou, Anchun Long, Yanming Xue, Hanbin Liao, Chao Wei, Zhichuan J. Xu Nano-Micro Lett. (2018) 10: 75 https://doi.org/10.1007/s40820-018-0229-x 本文亮点 1 由于具有界面协同效应，异质结构型催化剂在碱性析氢反应中具有独特优势。 2 本文介绍了碱性溶液中的析氢过程及其对催化剂要求，并总结了异质结构型电催化剂用于碱性HER的最新进展。 3 重点讨论了通过加快Volmer步骤（碱性析氢的决速步）来获得催化性能提升的策略。内容简介析氢反应（HER）是水分解制氢的半反应。在工业电解水中，为保证电极材料的稳定，该反应通常在碱性环境中进行。然而，由于碱性溶液中的氢离子浓度过低，HER在其中的反应速率往往要低于酸性溶液。因此，碱性HER需要通过额外的水分解反应来提供氢离子。近年来，异质结构型催化剂由于具有多功能的反应位点，可在异质界面处形成协同效应以促进碱性HER的反应速率，因而获得广泛关注。本文首先介绍了碱性HER的基本原理和要求；继而总结了异质结构型催化剂用于碱性HER的最新成果（包括含铂与不含铂的异质结构）；最后, 重点讨论了通过加快Volmer步骤（碱性HER的决速步）来获得催化性能提升的策略。图文导读 1 酸性和碱性溶液中的HER过程 ▲图1 酸性和碱性溶液中HER反应过程示意图。碱性环境中的HER需要额外的水分解反应为后续析氢过程提供氢离子，因而对催化剂提出了更高的要求（图1）。一般而言，同一催化剂在碱性溶液中的催化活性，要低于其在酸性溶液中的表现。 2 含贵金属的异质结构型碱性HER催化剂 ▲图2Pt/Ni(OH) 2 纳米异质结构的STM图(A)，极化曲线(B)，和反应机理示意图(C)。 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，MoS 2 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H 2 O、H和H 2 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）。作者简介主要研究领域：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 相关阅读 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关于我们 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; 14128 次阅读|1 个评论

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