庄小东、苏跃增:基于离子聚合物纳米片的碳片/纳米合金异质结可控制备

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异质结构可以通过调节不同组分的电子性质，在界面处形成独特的界面电荷态从而促进其催化活性，在能量转换领域显示出巨大的潜力。然而，对于高活性异质结构的可控制备（如成分调整、形貌控制以及活性位点分布等）依旧存在挑战。
       电解水产氢（HER）是一种“最理想的工业制氢方法”，其催化剂多以铂（Pt）基材料为主，然而，Pt材料的稀缺性和高价格极大地限制了它的实际应用。许多非铂基催化剂，如镍基催化剂、钼基催化剂、钴基催化剂、杂原子掺杂碳催化剂等，虽已被大量研究，但与铂基催化剂相比，性能差距依然明显。因此，开发性能优越的非铂基催化剂越显重要。目前，科学家已发现在钌颗粒晶格中掺入适量的异质金属（如钴、镍等）形成合金，可以有效改变钌基催化剂的电化学特性，从而显著提高其催化活性和稳定性。然而，由于多金属成核和还原过程的难以控制，制备具有尺寸可控、性质稳定的钌纳米合金材料仍具有很大的挑战。

       最近，上海交通大学庄小东教授课题组与苏跃增教授团队合作，利用离子聚合物纳米片，以含阳离子聚酰亚胺为前驱体，通过简便的离子交换法，将双金属（MoO42−/Ru[CN]64−）源成功地引入前驱体中，经高温热解形成嵌有RuMo合金纳米颗粒（2-5 nm）的二维多孔氮掺杂碳纳米片（2DPC-RuMo）。所制备的2DPC-RuMo呈现规整的六边形形貌（2.5 μm）、均匀的RuMo合金颗粒分散和高的比表面积（356 m2 g−1）。作为HER催化剂，在碱性介质中，2DPC-RuMo表现出优异的电催化性能，电流密度在10 mA cm-2时的过电位仅为18 mV，Tafel斜率为25 mV dec-1，转化频率（TOF）值高达3.57 H2 s-1，其性质优于文献报道的其它钌基碳催化剂。进一步DFT计算表明，钌钼合金和氮掺杂碳的新型异质结构可以有效促进水的分解，降低催化剂对氢的吸附能，利于氢在催化剂表面吸脱附，从而提高HER性能。这项工作为可控制备金属（合金）基异质结构提供了一种有效可行的方法，同时为电催化析氢反应提供了一种优异的催化剂。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202005433)上。


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       庄小东，上海交通大学教授。毕业于华东理工大学(本科/博士)，先后在新加坡国立大学、上海交通大学、德国马普高分子研究所和德累斯顿工业大学从事科研工作。其博士论文被评为上海市优秀博士学位论文和全国百篇优秀博士论文提名，曾获国家优秀青年基金资助、上海市浦江人才计划。迄今为止，已发表140余篇SCI学术论文，合计总被引6500余次，H因子42，共计16篇论文入选ESI高被引论文。