双重电输运调制显著提升电催化析氧性能

　　电解水制备氢气是氢能源获取的最有效途径之一，其中发展高效廉价的析氧电催化剂是关键。近年来国内外研究主要集中于通过电催化剂形貌设计，旨在通过最大化暴露电催化剂活性位点来提高电催化的效率。然而，电子行为如何影响电催化剂析氧性能的研究亟待加强。 

　　此前的研究发现通过纳米尺度杂化结构，比如将半导体的电催化剂与具有优异导电性能基底，如导电炭黑、碳纳米管、石墨烯等进行复合与组装，加快电催化过程中电催化剂界面的电子传导，使得电催化活性得以显著提升。最近，金属态的析氧电催化剂，得益于电子在金属态的电催化剂体相内可以实现更快的传输，表现出比相对应的半导体/绝缘态的析氧电催化剂更为优异的电催化活性。但是，如何协同优化电催化过程中电子在电催化剂体相内和界面的传输效率，以此进一步提升析氧电催化剂活性等问题亟待研究。 

　　针对上述挑战，中国科学技术大学吴长征教授课题组提出了基于金属态电催化剂与导电基底杂化的双重电输运调控策略，实现了析氧电催化活性的显著提升。相关研究成果发表在材料类著名期刊《Advanced Materials》上。 

　　该研究组构建了金属态Ni3C纳米颗粒与导电碳的杂化结构(Ni3C/C)，发现Ni3C本征金属态的特性可以加快电荷在电催化剂体相内的传输，导电碳的支撑又促使了电荷在电催化剂表面的传导。受益于双重电输运的协同调控，Ni3C/C实现了显著增强的电催化析氧性能。例如在0.4V的过电位下，Ni3C/C的OER电流密度高达140 mA/cm2, 分别是金属态Ni3C，NiO/C和绝缘态NiO的5.6倍，10倍和40倍。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B-XAFS实验站的X射线吸收谱学技术，研究人员对材料催化前后的X 射线吸收精细结构光谱(XAFS)进行了测量分析，近边吸收X 射线吸收精细结构光谱(NEXAFS)发现催化过后的样品近边往高能方向明显移动，说明Ni的价态在催化后升高。此外，外延吸收谱分析表明催化过后有Ni-O键产生，而Ni-Ni键强度明显降低，并且键长有所增加，同时综合HRTEM、元素分布像(EELS-Mapping) 等表征手段，确定催化后Ni3C上原位生成了NiOX层，而其应为析氧催化反应实际的反应位点。此工作揭示了非金属氧化物催化剂的催化机制，为设计高效催化剂开辟了新思路。

　　发表文章： 

　　K. Xu, H. Ding, P. Z. Chen, X. L. Lu, H. Cheng, T. P. Zhou, S. Liu, X. J. Wu, C. Z. Wu, Y. Xie, Dual Electrical-Behavior Regulation on Electrocatalysts Realizing Enhanced Electrochemical Water Oxidation, 2016, 28(17), 3326-3332.