基於電子離域與離子離域的協同作用調控銀摻雜硒化鈷納米帶的導電性

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室和化學與材料科學學院曾傑教授課題組長期以來關注納米催化劑的結構設計與電催化性能研究，並取得了一系列進展。近日，曾傑教授課題組與美國Akron大學彭振猛教授合作，在高效電解水析氧催化劑的導電性調控方面取得重要進展。研究人員基於電子離域與離子離域的協同作用調控銀摻雜硒化鈷納米帶的導電性，從而實現高效電解水析氧。該成果以「Engineering the Electrical Conductivity of Lamellar Silver-Doped Cobalt(II) Selenide Nanobelts for Enhanced Oxygen Evolution」為題，發表在《德國應用化學》雜誌上（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 328），論文的第一作者是博士生趙旭。

面對目前傳統化石能源消耗及其引起的環境污染問題，新型可再生能源愈發受到關注。氫能源作為一類新型清潔能源，在解決人類面臨的能源與環境問題領域具有巨大優勢。電解水作為氫氣來源的有效途徑，其反應進程主要受制於陽極水電解析氧反應較高的過電勢。為降低反應壁壘，各類催化劑被用於析氧反應進程中。雖然一些貴金屬氧化物催化劑如氧化銥和氧化釕納米顆粒展現出高效的催化性能，但高昂的成本與匱乏儲量制約其應用。為解決這一問題，以非貴金屬材料設計用於電解水陽極析氧反應的納米催化劑受到廣泛關注。而在催化電解水過程中，催化劑自身的導電性將對催化性能產生重要影響。催化劑自身良好的導電性可以消除在電催化反應中催化劑-電解質界面處和催化劑-電極界面處的肖特基能壘，確保高效的能量轉變效率。因此，針對非貴金屬納米催化劑的導電性調控可為設計高效電解水析氧反應催化劑提供重要途徑。

銀摻雜硒化鈷納米帶與電解水析氧性能

為此，研究人員以二維層狀硒化鈷納米帶為基礎，通過離子交換法引入微量銀離子，得到了銀離子摻雜的硒化鈷納米催化劑。在不破壞硒化鈷自身結構的前提下，確保了活性中心即二價鈷離子不發生損失，相對於硒化鈷，銀離子摻雜後載流子濃度提升近10倍，實現電子離域與離子離域的協同，大幅增強了催化劑材料自身導電性和催化性能。同時，由於微量離子交換導致的結構破壞程度極小，該催化劑可以在0.1M氫氧化鉀溶液中循環1000次幾乎不發生結構破壞與催化性能的衰減，體現出該催化劑結構高催化活性與穩定性。該項工作對於設計發展非貴金屬納米催化劑的導電性與催化性能調控提供了新思路，具有重要意義。

該項研究得到了中科院前沿科學重點研究項目、國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

（微尺度物質科學國家實驗室、化學與材料科學學院、科研部）

附論文鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201609080/full