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多孔碳载过渡金属碳化物超小颗粒复合材料应用于水分解制氢

2019/10/15 13:25:462187

据Material views网站报道：氢气作为一种清洁能源及重要工业化学品，世界年消耗量以3%的速度增加，年产量达到5千亿立方米。然而，目前约90%的工业用氢气仍然由化石燃料的蒸汽重整制备得到，这种方法不仅消耗大量的能量同时还会释放出大量的温室气体（二氧化碳）。水分解产氢（HER）是公认的绿色制氢技术，贵金属铂材料作为水分解制氢催化剂具有优异的催化性能，但其昂贵的价格限制了它的规模化应用。长期以来，大量研究人员致力于制备具有高催化活性及稳定性的非贵金属水分解制氢催化剂。

近期，新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程系刘彬教授课题组报道了一种制备非贵金属水解制氢（HER）催化剂的制备方法。过渡金属前驱体（钼酸铵）与三聚氰胺和L-半胱氨酸均匀混合后于惰性气体中煅烧，所得产物即为多孔碳载过渡金属碳化物超小颗粒复合材料。碳化钼颗粒的平均尺寸仅有2.8 nm，氮、硫元素掺杂的碳材料为多孔疏松结构。超高密度的碳化钼颗粒嵌于多孔碳结构中形成复合材料。在第一步煅烧过程中钼酸铵分解生成氧化钼颗粒，同时三聚氰胺聚合生成层状氮化碳（C3N4）材料，C3N4作为软模板抑制了氧化钼颗粒的聚集。高温煅烧下，氧化钼碳化生成碳化钼，C3N4转化为多孔碳材料，一锅法制得催化剂材料。

据报道，由于材料的结构优势，制备的复合材料在酸性电解质中具有非常优异的水解制氢催化性能及良好的稳定性。起始电位仅为50 mV，仅需135 mV过电位即可获得10 mA/cm²电流，塔菲尔斜率为62 mV/decade。此复合材料同时具有很好的水解制氢稳定性，反应持续33小时后，电流仍保持了初始电流的94%。除了在酸性电解液中表现出优异的催化效果外，此非贵金属催化剂在中性及碱性条件下同样具有优异的催化活性及良好的性能稳定性。此方法可以进行拓展，制备多孔碳载碳化钨超小颗粒复合材料。所得碳化钨颗粒平均尺寸仅为2.0 nm，同时具有很好的水解制氢催化性能及性能稳定性。