从最新7篇Science/Nature系列成果，看电催化析氢(HER)发展趋势！

能源和环境是人类社会可持续发展涉及的最主要问题。全球80%的能量需求来源于化石燃料，这最终必将导致化石燃料的枯竭，而其使用也将导致严重的环境污染。从化石燃料逐步转向可持续发展无污染的非化石能源是发展的必然趋势。氢是理想的清洁能源之一，也是重要的化工原料，受到世界各国广泛的重视。电解水制氢是实现工业化、廉价制备氢气的重要手段。今天，我们要分享的是来自国际多个顶级研究团队关于HER最新的7篇重要成果，希望对相关研究人员有所启发。

1. 全pH范围的高效稳定析氢催化剂丨Science Advances

近日，南洋理工大学楼雄文教授课题组成功制备出一种高晶态的Ni掺杂FeP/C多孔纳米棒，并用于电化学析氢反应中。研究发现，该催化剂在全pH范围均具有高效且稳定的析氢活性，在10 mA cm⁻²电流密度下，酸性，中性和碱性电解质中的过电位分别为72, 117和95 mV。XPS和理论计算表明，超高的活性源于材料结构，电子性能以及活性组分的综合调控。

参考文献：

XueFeng Lu, Le Yu and Xiong Wen (David) Lou*. Highly crystalline Ni-dopedFeP/carbon hollow nanorods as all-pH efficient and durable hydrogen evolvingelectrocatalysts. Science Advances, 2019.

DOI: 10.1126/sciadv.aav6009

http://advances.sciencemag.org/content/5/2/eaav6009

2. 1T-MoS₂上“种植”活性位点，增强HER活性丨Nature Commun.

从原子水平设计和改造催化位点可以加深对催化剂的活性位点的理解，这对提升催化剂的活性至关重要。有鉴于此，清华大学魏永革教授、吉林大学张立军教授以及美国圣地亚哥州立大学Jing Gu教授等人利用Anderson型多金属氧酸盐作为前体，从原子水平将金属活性位点掺杂到1T-MoS₂上。实验结果发现，与含铂的催化剂相比，优化的电催化剂在碱性电解液中HER性能显著提高，得益于掺杂的镍原子和氧原子；起始电位接近 0 V，过电势仅为−46 mV。理论计算表明，将镍和氧共掺杂到1T-MoS₂中有助于水的离解和氢的生成，从而提升了催化活性。

参考文献：

Lijun Zhang*, Yongge Wei*, Jing Gu*, etal. Atomically engineering activation sites onto metallic 1T-MoS₂ catalystsfor enhanced electrochemical hydrogen evolution. Nature Communications, 2019.

DOI:10.1038/s41467-019-08877-9

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08877-9

3. 调整轨道取向赋予MoS₂特殊的碱性析氢能力丨Nature Commun.

由于不适合的轨道取向造成不利的水吸附和解离特征致使MoS₂对于碱性催化析氢是天然惰性的。中国科学技术大学Xiaojing Liu和GongmingWang团队通过碳诱导的轨道调制成功地赋予MoS₂优异的碱性氢析出能力。制备的碳掺杂MoS₂在10 mA cm^-2下显示出前所未有的45 mV过电位，显著低于MoS₂的228 mV，在所报道的MoS₂催化剂中代表了最佳的碱性析氢催化活性。XPS和XAS分析表明MoS₂的电子和配位结构随着碳的掺入而发生显著变化。DFT计算进一步揭示了碳掺杂可以产生垂直于基面的空2p轨道，能够在能量上有利地吸附和解离水，从而促进碱性HER催化动力学。

参考文献：

Yipeng Zang, Shuwen Niu, YishangWu, Xusheng Zheng, Jinyan Cai, Jian Ye, Yufang Xie, Yun Liu, Jianbin Zhou,Junfa Zhu, Xiaojing Liu, Gongming Wang, Yitai Qian. Tuning orbital orientation endows molybdenum disulfide with exceptional alkaline hydrogen evolutioncapability. Nature Communications, 2019.

DOI:10.1038/s41467-019-09210-0

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09210-0

4. 原子分散在碳中的钌在碱性介质中优异的析氢性能丨NatureCommun.

加州大学陈少伟和Yuan Ping团队制备钌和氮共掺杂的碳纳米线作为有效的析氢催化剂，并检测了钌纳米颗粒和钌原子位点对HER性能的影响。实验过程：将三聚氰胺-甲醛（MF）聚合物涂覆在碲纳米线（Te NWs）上，加入计量的氯化钌（III）后，在控制温度下热解，导致形成Ru、N共掺杂的碳NW，其中钌纳米颗粒和钌单原子嵌入碳基质中。其催化性能明显优于商业Pt/C催化剂，在1M KOH中10 mVcm^-2的电流密度下过电势仅为-12 mV，在0.1M KOH中达到-47 mV。

显著的活性主要归因于嵌入碳基质中的各个钌原子，而钌纳米颗粒的贡献最小。在第一性原理计算中获得了一致的结果，HER活性位点很可能是与N和C（RuC_xN_y）（不饱和）配位有关的钌原子中心。RuC_xN_y部分显示出比钌纳米颗粒低得多的氢结合能，并且比Pt更低的水解离能垒，表明具有更快的动力学过程。RuC₂N₂是最活跃的催化中心，其中钌和相邻的碳原子都是可能的活性位点。

参考文献：

Bingzhang Lu, Lin Guo, Feng Wu, YiPeng, Jia En Lu, Tyler J. Smart, Nan Wang, Y. Zou Finfrock, David Morris, PengZhang, Ning Li, Peng Gao, Yuan Ping, Shaowei Chen. Ruthenium atomically dispersed in carbon outperforms platinum toward hydrogen evolution in alkalinemedia. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-08419-3

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08419-3

5. 氮等离子体处理的氢氧化铪作为高效、稳定的析氢和氧化反应电催化剂丨Nature Commun.

开发资源丰富的电催化剂用于强酸条件下的催化析氢和氧化反应，对于研制高效、耐用、经济的电解槽和燃料电池来说是一个严峻的挑战。有鉴于此，美国普林斯顿大学Bruce E. Koel等人利用资源丰富的氮等离子体处理氢氧化铪，研究了其在强酸介质中对析氢和氧化反应的催化活性，结果表明该电催化剂具有较高的催化活性和稳定性。同时表明氮修饰氢氧化铪可以作为高活性稳定电催化剂铂的理想替代品，氮等离子体处理可活化其它非导电材料，形成新的活性电催化剂。

参考文献：

Xiaofang Yang, Fang Zhao, Yao-WenYeh, Rachel S. Selinsky, Zhu Chen, Nan Yao, Christopher G. Tully, Yiguang Ju& Bruce E. Koel. Nitrogen-plasma treated hafnium oxyhydroxide as anefficient acid-stable electrocatalyst for hydrogen evolution and oxidationreactions. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09162-5

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09162-5

6. 单分子层MoS₂的边界活化析氢反应丨NatureCommun.

近年来，单分子层二硫化钼(MoS₂)已成为一种有前途的非贵金属析氢反应电催化剂。但其性能在很大程度上受到基底面活性位点密度低、反应性差的限制。有鉴于此，中国科学院物理研究所Jianqi Zhu等人报道了单分子层MoS₂基底面的域边界作为活性位点，可以大大提高其析氢反应的性能。本文研究了两种有效域边界：2H-2H域边界和2H-1T相边界。通过对这两种域边界的多层次设计，获得了具有优异析氢反应催化活性、长期稳定性以及酸性/碱性普适性的电催化剂。进一步研究表明，这种优良催化剂的大规模化是可行的，通过应用对区域边界的多层次设计获得晶片级单层MoS₂薄膜。

参考文献：

Jianqi Zhu, Zhi-Chang Wang, Huijia Dai, Qinqin Wang, Rong Yang, Hua Yu,Mengzhou Liao, Jing Zhang, Wei Chen, Zheng Wei, Na Li, Luojun Du, Dongxia Shi,Wenlong Wang, Lixin Zhang, Ying Jiang & Guangyu Zhang. Boundary activatedhydrogen evolution reaction on monolayer MoS₂. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09269-9

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09269-9

7. 单原子Co助力水分解析氢，活性爆表丨NatureCommun.

合理设计高活性的非Pt基催化剂用于水分解产氢依然是一个重要的课题。清华大学王定胜教授和李亚栋教授等报道了一种高活性HER催化剂，Ru纳米片中部分晶格位点被单原子Co取代。研究发现，在1 M KOH溶液中，当电流密度为10mAcm⁻²时其过电位仅为13 mV，塔菲尔斜率为29mV dec⁻¹。理论研究发现，单原子Co极大地降低了水分解的能垒，使得催化剂拥有超高的活性。

参考文献：

Junjie Mao, Dingsheng Wang*, Yadong Li, et al. Accelerating waterdissociation kinetics by isolating cobalt atoms into ruthenium lattice. Nature Communications, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-07288-6

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07288-6

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