圖1  硼氮共摻雜石墨烯納米管包覆磷化鈷納米顆粒復合結構的合成示意圖

圖2  CoP@BCN復合結構電解水制氫

    進入21世紀以來，傳統化石能源的枯竭與高污染帶來的環境問題成為全球共同面對的挑戰，開發新型清潔能源勢在必行。氫具有高能量密度，其本身無毒，燃燒產物只生成水，基于氫燃料的燃料電池被認為是最有發展前景的清潔能源。電解水析氫是目前最有效的制氫方法，為降低過電勢、提高反應速率，電催化劑的應用必不可少。高效電解水需要用到昂貴的貴金屬催化劑和對設備腐蝕嚴重的強酸性電解液，這使得高成本、低產出與安全性問題成為了主要的制約因素。電解水產氫的另一大優勢在于原料來源廣泛，各種酸堿性電解液、工業廢水以及海水都可作為天然的制氫原料，這就需要催化劑在全pH電解液中都表現出高催化活性。傳統貴金屬催化劑在酸性下活性較高，而在中性和堿性電解液中表現較差。因此，開發廉價、穩定、安全、高效的全pH新型催化劑成為了當前的研究熱點。

    鄒如強課題組近期報道了一種簡單的無催化劑方法制備硼氮共摻雜石墨烯納米管材料的新方法，通過高溫共熱解，調整碳源前驅體聚乙二醇的分子量，可一步控制生成硼氮共摻雜石墨納米管材料，該材料具有良好的導電性和催化活性，同時其豐富的雜原子基團可為其它功能化納米顆粒提供良好的附著點，是一種理想的基底材料。進一步在制備硼氮共摻雜石墨烯納米管的過程中引入鈷基金屬有機骨架（MOFs）為前驅體模板，設計合成了一種硼氮共摻雜石墨烯納米管（BCN）包裹磷化鈷納米顆粒的復合材料（CoP@BCN），用作電解水析氫反應的催化劑。作為前驅體的MOFs、聚乙二醇以及硼源和氮源經均勻混合，通過共熱解法一步合成Co@BCN復合材料，進一步磷化得到CoP@BCN。該方法得到的CoP納米顆粒被保護性碳層覆蓋，并包裹在BCN納米管內，有效防止了團聚和電解液腐蝕。它在酸性、中性和堿性條件下達到10 mA cm-2電流密度時的過電勢分別為87、122和215毫伏，法拉第效率分別為99.5%、76.7%和88.5%，表現出了極高的電催化活性和穩定性。該成果展示了一種簡單制備高效氫析出催化劑的策略，并為未來的復合型催化劑設計及解決穩定性問題提供了新思路。相關文章發表于Advanced Energy Materials，并于當期Inside Front Cover做簡要介紹。該工作也被Wiley旗下MaterialsViews專文報告。論文第一作者是13級博士生Hassina Tabassum，鄒如強是論文的通訊作者。

    鄒如強課題組長期致力于金屬有機骨架衍生復合材料的設計合成及其在能源領域的應用方面的研究，并取得系列進展。以金屬有機骨架為前驅體制備的非貴金屬催化劑在眾多領域都表現出巨大的應用前景，有望取代貴金屬基催化劑，近年來成為能源與催化領域的研究熱點。該課題組近期發表多篇相關論文，并受邀于化學和材料領域著名期刊上撰寫綜述文章。本研究工作得到國家自然科學基金、國家“萬人計劃”青年拔尖人才、北京市科委等項目的資助。

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責任編輯：殷鵬飛

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