JACS：析氢反应的催化剂 Ni-C-N纳米片

【引语】

北京时间10月24日，Journal of the American Chemistry Society上发表了一篇题为“Ni-C-N Nanosheets as Catalyst for Hydrogen Evolution Reaction”的文章，通讯作者为兰州大学席聘贤与孙守恒。文中对析氢反应的催化剂Ni−C−N纳米片的析氢性质进行了研究。

研究发现，析氢反应催化剂——Ni−C−N纳米片具有许多优异的性质，可与贵金属Pt相媲美，这使得该纳米片在解决能源问题等方面有着广阔的应用前景。

【成果简介】

该小组以Ni的多金属氧酸盐—有机骨架为原料，利用一般氮化作用/声波降解法/剥落表皮的方法来制备混合Ni−C−N纳米片（Ni−C−N NSs），其厚度小于2 nm。作者认为该催化活性的提高源于NiC与Ni₃N的反应，并对该纳米片进行表征与催化性质的测试，发现其具有许多不同寻常之处。

该催化剂的不同寻常之处在于：①良好的催化活性：该催化剂能在不同pH的条件下进行催化，如0.5 M H₂SO₄，1.0 M KOH 或者1.0 M PBS (pH = 7)下保持高效催化析氢反应的速率。②稳定性：该催化剂进行70 h的催化过程后没有发生明显电流密度下降的现象。③导电性：类似金属般的导电性质。④实用性：该催化剂能够代替贵金属Pt起催化作用，降低了市场成本。

【图文导读】

图1 Ni−C−N纳米片的表征（一）

（a）分别是混合Ni−C−N NSs、NiC NSs、Ni₃N NSs的XRD图像。

（b）Ni−C−N NSs的TEM图像。插图为Ni−C−N NSs在水中的丁达尔现象。

（c）Ni−C−N NS特定区域的元素图像。

（d）Ni−C−N NS特定区域高分辨率TEM图像。

（e）Ni−C−N NS的AFM图像。

（f）剥落的Ni−C−N NS 的高度剖面图。其中的1、2、3分别对应（e）中的1,、2、3号线。

图2 Ni−C−N纳米片的表征（二）

（a）Ni−C−N NSs与Ni−C−N块体的电阻系数随温度的变化曲线。

（b）二者Ni K边的EXAFS振荡曲线。

（c）二者相应的傅里叶变换。

（d）Ni−C−N NSs的Ni 2p的XPS谱图。

（e）Ni−C−N NSs的N 1s的XPS谱图。

（f）Ni−C−N NSs的C 1s的XPS谱图。

图3 不同pH条件下Ni−C−N纳米片的析氢测试

（a）分别是Ni−C−N NSs、Ni-POMMOF、NiC NSs、Ni₃N NSs与在 0.5 M H₂SO₄溶液中的Pt/C (20%)关于析氢反应的线性伏安扫描曲线图（扫描速率为2 mV·s^-1）。

（b）不同催化剂修饰后电极析氢RRDE测量。由环盘电极析出H₂，Pt圆环电极在0.7 V下进行H₂的氧化反应。

（c）0.5 M H2SO4中不同催化剂的Tafel图。

（d）对初始电势、Tafel斜率以及过电位（j=10 mA·cm⁻²）进行汇总。在Ni−C−N NSs催化下的HER，环境可以为酸性(0.5 M H₂SO₄)、中性（1.0M PBS）或者碱性（1 M KOH）溶液。

（e）恒定电流密度10 mA·cm⁻²下Ni−C−N NSs的计时电位滴定曲线。

（f）不同pH条件下的Ni−C−N NSs的TOF。

图四  KSCN对Ni−C−N纳米片析氢反应的影响

（a）在0.5 M H2SO4中，存在或不存在KSCN的情况下Ni−C−N NSs的LSV HER曲线。插图表示Ni中心被SCN^-离子所阻塞。

（b）分别为Ni−C−N NSs、NiC NSs与Ni₃N NSs的Ni 2p的XPS谱图

【总结】

 文中着重介绍新型析氢反应催化剂——Ni−C−N纳米片及其优异的性能，为代替贵金属Pt作为析氢催化剂并解决能源问题开辟实际可行的路径。

文献链接：Ni-C-N Nanosheets as Catalyst for Hydrogen Evolution Reaction （Journal of American Chemistry Society, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b09351)

 本文由纳米组材料人pengyuman供稿，材料牛编辑整理。

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