注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析
人类发展带来日益严峻的环境问题和能源危机，发展可持续的清洁能源迫在眉睫。氢气具有燃烧热值高、清洁无污染和可利用形式多样等优点，可以作为一种理想的能源载体。碱性条件下电催化分解水作为一种简便高效的制氢方法（HER）广泛应用于工业生产及相关特种行业。贵金属铂依然是目前HER活性最高的催化剂。但是，铂昂贵价格和有限的存储量严重地制约了其在电催化分解水制氢领域中的大规模应用。过渡金属Ni、Fe由于储量丰富，其相化合物在催化领域得到广泛的关注并加以应用。其中，NiFe双金属氢氧化物（NiFe-LDH）在碱性溶液中表现出优异的电催化分解水析氧（OER）性能，但是其析氢性能非常差，分解水需要很大的电压输入。在碱性溶液中，HER的动力学主要受限于其缓慢的Volmer步骤（水解离产生活性氢：H2O + e-+ cat. → H*-cat. + OH-），因此加速Volmer过程是一条有效提高HER性能的途径。
近日，德国德累斯顿工业大学的冯新亮教授和张健博士研究团队在NiFe-LDH中引入对氢、氧吸附性更强的Ru元素来调节碱性HER过程中缓慢的水解离步骤，进而加速分解水的动力学过程以提高HER性能。NiFeRu-LDH在1 M的氢氧化钾电解液中表现出与铂相媲美的性能，在10 mA•cm-2的电流密度下过电势只有29 mV。密度泛函理论计算进一步证明，Ru掺杂可以大幅度降低HER反应中Volmer步骤的反应能垒，进而大幅度加速HER动力学来提高其催化性能。此外，Ru的引入并不会减弱NiFe-LDH原有的优异的OER性能。基于此，该NiFeRu-LDH在碱性电解液中表现出优异的全分解水性能，加之优异的催化稳定性，NiFeRu-LDH电催化剂有望应用于实际水-碱性电解液中制备氢气。该工作对NiFeRu-LDH催化剂的发展和活性中心进行了深入的理解，为新型能源的产出提供了新的思路。
图1.（a）NiFeRu-LDH的制备策略；（b）NiFeRu-LDH以及催化剂HER的性能图；（c）NiFe-LDH和NiFeRu-LDH催化剂Volmer步骤吸附自由能的计算图表。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是德累斯顿工业大学的博士研究生陈广波，通讯作者为冯新亮教授和张健博士。
该论文作者为：Guangbo Chen, Tao Wang, Jian Zhang, Pan Liu, Hanjun Sun, Xiaodong Zhuang, Mingwei Chen and Xinliang Feng
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Accelerated Hydrogen Evolution Kinetics on NiFe-Layered Double Hydroxide Electrocatalysts by Tailoring Water Dissociation Active Sites
Adv. Mater., 2018, 30, 1706279, DOI: 10.1002/adma.201706279
张健博士简介
张健，2014年于中国科学院山西煤炭化学研究所取得博士学位，随后在德累斯顿工业大学冯新亮教授课题组从事博士后研究，现在为能源存贮与转化研究组组组长（Group Leader），研究方向为二维纳米材料的开发制备以及在能源存储与转化方向的应用；迄今为止，发表学术论文30余篇，包括以第一作者/通讯作者发表的Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy. Sci. 等。
http://www.x-mol.com/university/faculty/49571
冯新亮教授简介
冯新亮，2001年获得中国地质大学学士学位，2004年获得上海交通大学硕士学位，同年赴德国马普高分子研究所深造，2008年获博士学位，现为德累斯顿工业大学首席教授、上海交通大学化学化工学院特聘教授、西北工业大学“长江学者”讲座教授，研究方向为二维纳米石墨烯的合成研究、盘状液晶分子的合成和自组织研究、共轭π体系分子的有机设计和合成、基于π体系分子的超分子化学、设计合成共轭寡聚物和高分子以及在有机电子学器件的测试和表征、可控纳米结构功能碳材料、有机/无机杂化材料的设计合成及其在能源储存和转化的应用研究；曾获玛丽-居里奖学金、IUPAC青年化学家奖、欧盟青年化学家奖、德国汉堡科学奖等；迄今为止共发表学术论文500余篇，H因子为87。
冯新亮
http://www.x-mol.com/university/faculty/31110
课题组主页
https://cfaed.tu-dresden.de/cmfm-about
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，我们的目标是开发廉价的非铂基催化剂用于电催化分解水析氢。过渡金属Ni、Fe储量丰富，其相化合物在催化领域得到广泛的关注并加以应用。其中，NiFe-LDH在碱性溶液中表现出优异的电催化OER性能，但是其HER性能很差，根本原因是NiFe-LDH催化剂对水解离的能垒太大，进而影响了其HER性能。基于此，我们期望在该催化剂中引入对氢、氧吸附性更强的活性中心来降低水解离能垒，进而提升碱性介质中HER的动力学过程。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：该研究中最大的挑战是如何引入对氢、氧吸附性更强的活性中心Ru，并找到合适的掺杂量。我们团队在二维材料合成及表征方面的经验积累起到了至关重要的作用。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：我们得到的材料在碱性条件下表现出与铂相媲美的性能，同时表现出优异的稳定性。所以直观上讲，其潜在的应用是基于水-碱性电解液介质中的分解水析氢。同时，我们对催化活性中心的理解为新型催化剂的开发设计提供了新的思路，未来的研究不仅仅局限于水分解，这种研究思路同样适用于其他催化反应，如CO2还原、O2还原、N2还原等。
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