中礦大信控學(xué)院荊勝羽副教授在國際頂級期刊Advanced Materials上發(fā)表論文

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近日，我校信控學(xué)院荊勝羽副教授以第一作者、中國礦業(yè)大學(xué)為第一單位在國際頂級期刊Advanced Materials上發(fā)表了題為《Carbon-encapsulated WOx hybrids as efficient catalysts for hydrogen evolution》（碳包覆氧化鎢高效析氫催化劑）的論文（https://doi.org/10.1002/adma.201705979）。Advanced Materials是材料領(lǐng)域的國際權(quán)威性學(xué)術(shù)刊物，2017-2018年最新影響因子為21.95。

氫燃料具有高能量密度和零排放二氧化碳的優(yōu)點，是目前能源領(lǐng)域的研究熱點之一。利用可再生能源（如風(fēng)能和太陽能等）產(chǎn)生的電力進(jìn)行電解水制氫不僅能夠提供高純度的氫氣，而且整個過程環(huán)境友好、可循環(huán)再生。然而，電解水制氫的實際電位與理論電位存在較大的差距，需要降低析氫反應(yīng)(HER)的過電勢來提高電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換效率。大量研究表明，中等強度的Pt-H鍵能可以相對容易地吸附/脫附氫，因而Pt或Pt基催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的HER性能。但鉑等貴金屬的稀缺性和高成本在一定程度上限制了其實際應(yīng)用，因而開發(fā)具有良好導(dǎo)電性、高催化活性和高穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑對于降低電解水制氫的成本十分重要。

本研究通過吡啶原位聚合和高溫碳化合成了碳包覆氧化鎢(WOx@C/C)復(fù)合析氫催化劑，實驗結(jié)果表明，900°C下制備的金屬負(fù)載量為40%的WOx@C/C-2-900具有優(yōu)異的催化活性。在0.5 M 硫酸水溶液中，電流密度達(dá)到60 mA cm^-2時的過電位僅為36 mV，塔菲爾斜率為19.17 mV dec^-1，性能與商業(yè)Pt/C接近，并且具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。采用密度泛函理論(DFT)計算了CW、CO、CW-O和CR等活性點氫吸附的吉布斯自由能(ΔG_H*)，結(jié)果表明碳包覆結(jié)構(gòu)在調(diào)控ΔG_H*方面起著關(guān)鍵作用，碳層和WO₃之間的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)一步提升了其催化性能。實驗與理論計算結(jié)果表明，該材料具有優(yōu)異的“類鉑”催化特性，具有良好的應(yīng)用前景。這種碳包覆金屬氧化物的設(shè)計思路為高性能的非貴金屬催化劑的研發(fā)提供了一條新的途徑。