国内科学家构筑电催化分解水反应中的降低动力学势垒协同机制

　　氢能作为一种新能源，具有高能量密度、储量丰富和对环境无污染等特性，引起了人们高度重视。电解水析氢反应（hydrogen evolution reaction, HER）作为一种能够清洁、可持续的大规模利用地球上丰富水资源的产氢方式而备受关注。开发基于过渡贱金属的低成本、低开启电压、低塔菲尔（Tafel）斜率的高效高稳定性电极催化剂是当前电催化分解水研究及其应用中首当其冲也是亟待解决的问题。

　　5月8日，新能源领域国际知名期刊《纳米能源》(Nano Energy, 2016年影响因子11.55)在线发表了该团队关于电催化分解水反应中的降低动力学势垒的协同机制研究最新成果，论文题为“Interface Engineering: the Ni(OH)₂/MoS₂ Heterostructure for Highly Efficient Alkaline Hydrogen Evolution”。该团队设计了一种Ni(OH)₂/MoS₂异质结构，利用其界面协同效应，明显降低了碱性析氢反应中普遍存在缓慢动力学势垒，表现出了优异的电催化析氢活性。进一步理论计算从机理上解释了MoS₂和Ni(OH)₂间协同效应，界面双组份分别完成了析氢反应中的不同步骤，从而有效地绕开了MoS₂在碱性析氢中水分解的慢反应步骤，极大加速了碱性析氢反应过程。审稿人对此工作给出了高度评价。博士生张宝为第一作者，江建军教授和缪灵副教授为共同通讯作者，博士生刘佳、王劲松等参与了该论文相关工作。

　　电催化水分解包括析氢和析氧两个半反应，总分解电压的改善需要析氢和析氧电极性能的共同优化。在4月发表的另一项工作成果中，该团队构建了一种NiCo2S4纳米管和NiFe片层的三维复合结构，利用界面协同效应能够同时有效改善析氢和析氧两个反应过程，在碱性条件下表现出优异的双功能电解水催化活性，仅需1.6 V的总分解电压即可达到10 mA/cm2的分解电流。该研究成果发表在《ACS应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(18): 15364–15372.影响因子7.145)。博士生刘佳为第一作者，江建军教授和缪灵副教授为共同通讯作者，博士生王劲松、张宝等参与了该论文相关工作。

　　材料基因组技术对新材料研发具有巨大推动作用，基于密度泛函理论和分子动力学方法的材料计算分析可很大程度加深对反应微观机制理解，相关研究在国内方兴未艾。该团队在江建军教授和缪灵副教授的指导下，结合第一性原理计算得到二维过渡金属硫化物（TMDs）的HER过程构效关系，以此来指导其催化活性的设计优化。在2017年3月发表的工作中，博士生王劲松等系统地研究了TMDs的电化学析氢反应活性，研究表明TMDs的析氢活性与材料的电子亲和能相关。利用此构效关系，指导设计了高HER活性的掺杂TMDs催化剂材料(Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19: 10125-10132)。在4月发表的成果中，博士生陈驰等研究了不同β相MnO2晶面的电化学活性，并提出通过F离子对晶面调控，可制备大量高电化学活性的(001)晶面，有效提升其电化学性能(ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9 (17): 15176–15181)。

　　江建军教授团队自2012年以来在电化学储能及能源转化领域开展了一系列理论和实验研究工作，发表了高水平论文60余篇，已受到国内外相关领域研究者高度关注，累计他引近千次。目前已有两篇成果成为热点论文(Hot paper, ESI排名前0.1％)以及5篇成为高引论文(High cited paper, ESI排名前1％)。其中陈海潮博士（2015年湖北省优秀博士论文奖获得者）采用一种简易的两步水热法，成功制备了具有高电导率海胆状的镍钴硫化物电极材料，为合成其他特殊结构的硫化物提供了新思路(Nanoscale, 2013, 5, 8879-8883,被引257次)。万厚钊博士采用牺牲模板法制备出多孔镍钴硫纳米管电极材料，由于其高电子导电性和高离子扩散通道，表现出优异的电化学储能特性(CrystEngComm 2013, 15: 7649-7651,被引130次)。博士生吉晓、徐葵、陈驰等结合第一性原理计算和分子动力学方法，系统地研究了超级电容器电极材料储能机理(J. Mater. Chem. A, 3: 9909-9914, 2015; Electrochimica Acta, 196: 75, 2016)。团队在Ni基纳米结构电化学电容器电极材料方向，受邀发表了题为Nanostructured Ni compounds as electrode materials towards high-performance electrochemical capacitors的综述(J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 14509-14538)。

　　江建军教授团队还与相关领域国内外多个知名课题组开展广泛合作，在包括Energy Environ. Sci.(9: 2586, 2016), Nano Lett (15: 4692, 2015), Advanced Energy Materials(6: 1501929, 2016), Nano Energy (12: 386, 2015; 12: 386, 2015; 11: 226, 2015)等能源、纳米领域顶级期刊发表了相关工作。并有3名博士生同学获得国家留学基金委资助，在国际著名课题组联合培养，攻读学位。

　　该系列相关工作获得了多项国家自然科学基金和武汉市科技应用项目的支持。（通讯员 缪灵）