氫能是一種理想的能源載體，開發(fā)大規(guī)模、廉價、清潔、高效的制氫技術(shù)是氫能有效利用的關(guān)鍵。電解水由于環(huán)境友好、產(chǎn)品純度高以及無碳排放而成為具有應(yīng)用前景的綠色制氫方法之一。限制電解水制氫大規(guī)模應(yīng)用的最重要瓶頸是如何大幅降低其電能消耗，因而大幅降低制氫成本。其關(guān)鍵是發(fā)展廉價、易制備的高性能非貴金屬電解水催化劑，有效降低電極上析氧反應(yīng)(OER)和析氫反應(yīng)(HER)的過電位，實現(xiàn)在低槽壓下的大電流產(chǎn)氫。 

    在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點實驗室胡勁松課題組致力于高性能非貴金屬電催化劑的設(shè)計、可控構(gòu)筑與催化機制研究。他們近年在非貴金屬電解水催化劑高本征活性位點的設(shè)計與調(diào)控、高密度高活性有效催化位點的設(shè)計與可控構(gòu)筑、基元反應(yīng)導(dǎo)向的高活性位點組合設(shè)計、高速傳荷與傳質(zhì)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極設(shè)計等方面取得了系列進(jìn)展(ACS Nano, 2016, 10, 851; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8320; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 6572; Adv. Mater. 2017, 29, 1703311; Adv. Sci., 2017, 4, 1700084; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800734; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801698; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704594; Small Methods 2019, 3, 1800317)。近期，他們發(fā)展了一種新的原位電化學(xué)轉(zhuǎn)化策略，通過原位非金屬Se摻雜實現(xiàn)了低成本、高性能的鐵基析氧電解水催化劑，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 7005，并入選雜志封面。 

    因與析氧反應(yīng)中間物種合適的吸脫附能力，鎳和鈷通常是高性能OER催化劑必不可少的組分。雖然鐵元素遠(yuǎn)比鎳與鈷儲量豐富，價格低廉得多，但目前鐵基催化劑析氧性能遠(yuǎn)低于鎳與鈷基材料。研究人員首先借助理論計算揭示非金屬Se摻雜可以顯著改善全鐵基FeOOH催化劑的電化學(xué)析氧決速步驟?；诖?，發(fā)展了一種簡便的原位電化學(xué)活化策略，通過在OER條件下將三維導(dǎo)電低成本泡沫鐵基底上原位生長的FeSe垂直納米片陣列原位電化學(xué)活化轉(zhuǎn)化為Se摻雜的FeOOH納米片陣列，使該全鐵基催化劑同時具有高本征活性位點和高的電化學(xué)活性面積，因此表現(xiàn)出與全鎳或全鈷催化劑性能相當(dāng)?shù)?/span>OER電催化活性。該策略同樣適用于少量鎳摻雜的富鐵催化劑的制備，使少量鎳（3.3 at%）摻雜的富鐵催化劑可以實現(xiàn)與最佳富鎳或富鈷催化劑相媲美的電催化OER性能。在電流密度500 mA cm^-2時的過電位僅需348 mV，并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。將該催化劑作應(yīng)用于電解水裝置，電流密度50 mA cm^-2時的槽壓僅需1.62V。在實際太陽光驅(qū)動的水分解系統(tǒng)中，所述催化劑實現(xiàn)了18.55%的太陽光到氫氣的最高轉(zhuǎn)換效率之一。這些結(jié)果表明所述策略為開發(fā)新的儲量豐富、經(jīng)濟(jì)、高效的電解水電催化劑提供了一種可能的途徑 J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 7005 。

                         原位轉(zhuǎn)化Se摻雜策略構(gòu)筑低成本、高效鐵基析氧催化劑