大連化物所納米碳材料催化研究獲進(jìn)展

　　采用廉價和儲量豐富的非貴金屬替代稀有的貴金屬作為催化劑，實(shí)現(xiàn)重要能源和化工過程的高效轉(zhuǎn)化，是當(dāng)今催化科學(xué)和化學(xué)化工研究的熱點(diǎn)。

　　近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員鄧德會和中科院院士包信和帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在長期深入研究納米碳材料催化的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新二維納米碳材料（類石墨烯材料）的制備策略和合成方法，成功實(shí)現(xiàn)了均一的超薄石墨烯殼層（一般為1-3碳層）對3d過渡金屬納米粒子的包裹和封裝。理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究表明，在催化反應(yīng)過程中，活性金屬納米粒子催化劑在納米碳空腔中的封裝阻斷了其與苛刻反應(yīng)環(huán)境（如酸性、堿性和強(qiáng)氧化性等）的直接接觸，有效地延緩和阻止了催化劑的失活，同時，被包裹的納米金屬的活性價電子通過與類石墨烯碳層的相互作用“穿透（penetration）”到外表面，實(shí)現(xiàn)了高效催化反應(yīng)。基于這一原理制備得到的石墨烯碳層封裝的納米鈷-鎳催化劑應(yīng)用于強(qiáng)酸性條件下電解水制氫反應(yīng)（HER），表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，在電流密度為10 mA/cm2 的條件下，電解水陰極過電位僅為142 mV，性能接近于通常采用的40%Pt/C催化劑，相關(guān)結(jié)果于近日在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201409524）在線發(fā)表，并被該期刊選為“熱點(diǎn)文章（Hot Paper）”。

　　類石墨烯碳層保護(hù)活性金屬納米粒子和“穿透”電子催化的概念由該研究團(tuán)隊(duì)在研究碳納米管封裝的納米鐵替代傳統(tǒng)的貴金屬鉑作為燃料電池催化劑時首次提出（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 371），相關(guān)的原理得到了國際同行的認(rèn)可，并被形象地描述成為催化劑“穿鎧甲”（chainmail for catalyst）。

　　近年來，“鎧甲”催化的概念得到了迅速應(yīng)用和拓展，圍繞這一概念國內(nèi)外眾多課題組相繼在電催化、光催化、傳統(tǒng)多相催化等體系進(jìn)行研究。作為這一概念的首創(chuàng)團(tuán)隊(duì)，包信和研究組進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，相關(guān)研究一直處在引領(lǐng)地位。先后從實(shí)驗(yàn)和理論上發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證了石墨烯“鎧甲”厚度對非貴金屬的電子“穿透”能力，以及對氧還原活性的影響（J. Mater. Chem. A 2013, 1, 14868）；提出了該類催化劑在酸性條件下催化電解水制氫反應(yīng)機(jī)理（Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1919）；與他人合作發(fā)現(xiàn)該類催化劑用作染料敏化太陽能電池的對電極材料，表現(xiàn)出了比貴金屬Pt更為優(yōu)異的I3-還原活性（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 7023）。

　　以上研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院納米先導(dǎo)專項(xiàng)和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（2011·iChEM）的資助。