超薄导电WO3纳米片在电解水产氢反应中取得重要进展
(2018-01-18)
近日，我系曾杰教授课题组开发出一种高效稳定的电解水产氢（HER）催化剂。研究人员通过调控催化剂的电子结构，设计出一种具有高导电性的钨氧化物纳米片催化剂，在电解水产氢反应中表现出高活性和高稳定性，能够大幅降低成本，加快电解水产氢技术的商业化应用进程。该成果以“Conductive Tungsten Oxide Nanosheets for Highly Efficient Hydrogen Evolution”为题，发表在《纳米快报》杂志上（Nano Lett. 2017, 17, 7968-7973），论文的共同第一作者是博士研究生郑婷婷、桑炜和何志海。
氢气作为一种可再生能源，具有热值高且反应产物绿色环保的特性，被认为是未来最理想的能源形式。然而，目前电解水产氢（HER）电极催化剂多以铂为主，铂在全球储量有限且价格昂贵，在很大程度上限制了新能源技术的发展。过渡金属钨氧化物储量丰富，可以替代Pt作为HER电极催化剂，具有潜在的应用前景。但是常规的WO3由于催化位点较少、导电性较差，导致其HER性能低下，限制了其发展与应用。
针对这些问题，研究人员通过理论计算模拟钨氧化物对于氢气的吸附模型，发现当在WO3中引入适量的氧缺陷时，会导致材料从普通的半导体转变成简并半导体，而且氧缺陷多的模型中W原子对氢的吸附自由能值最接近于零。基于此，研究人员利用液相超声剥离块状WO3的方法合成具有较多氧缺陷的WO3超薄纳米片R-WO3(WO2.83)，之后烧结制备出氧缺陷较少的WO3纳米片P-WO3(WO2.96)。在HER测试中，块状WO3，P-WO3，R-WO3在电流密度为10 mA·cm-2时所需要的过电位分别为245mV、148mV和38mV，即随着氧空穴增多，催化剂的HER性能逐渐增强，与理论预测一致。
该项研究得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金等项目的资助。
WO3纳米片及其HER催化性能