【原】青岛科技大学王磊和赖建平课题组--无溶剂微波合成工业化析氢催化剂: Ru-Mo2C@碳纳米管具有强金属-载体相互作用

石墨烯研究 2021-08-31

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探索一种简单、快速、无溶剂的合成方法，来大规模制备用于工业析氢反应的廉价、高活性电催化剂，是当今最有前途的工作之一。本工作采用一种简单、快速、无溶剂的微波热解方法，一步合成了具有非均相结构和强金属-载体相互作用的超小型(3.5 nm) Ru-Mo2C@CNT催化剂。Ru-Mo2C@CNT催化剂在10mA·cm-2的电流密度下仅需要15mV的过电位，并且在1.0 M KOH中100mV过电位下表现出高达21.9 s-1的周转频率。此外，该催化剂在56 mV和78 mV的低过电位下可达到500mA·cm-2和1000mA·cm-2的高电流密度，并表现出1000 h的高稳定性，为其他大规模生产催化剂的合理设计提供了可行的途径。

Figure 1. Ru-Mo2C@CNT催化剂的物理表征。包括Ru-Mo2C@CNT的XRD图谱，透射电镜图（插图是纳米颗粒的尺寸分布），Ru-Mo2C@CNT的HRTEM图像，HAADF-STEM图像以及相应的EDX元素分布。

Figure 2. Ru-Mo2C@CNT催化剂的高分辨率XPS光谱，包括C 1s, Ru 3d, Ru 3p, Mo 3d的XPS图谱。

Figure 3．催化剂在N2饱和的1.0 M KOH溶液中的电催化HER性能测试。a不同催化剂的HER极化曲线。b从极化曲线获得的塔菲尔图。d在1.0 M KOH溶液中，与最近报道的HER催化剂进行Tafel斜率和过电位比较。不同样品的电位相关的TOF曲线。f 不同样品在10，000次循环前后的极化曲线比较。

Figure 4．大规模生产Ru-Mo2C@CNT催化剂用于HER的试验。a-c.催化剂的照片，直接滴涂在纳米纤维上的Ru-Mo2C@CNT催化剂的照片，H2气泡离开Ru-Mo2C@CNT表面的照片。d.在1.0 M KOH溶液中的极化曲线。e.1.0 M KOH制氢的理论和实验结果。f.10，000次循环前后的极化曲线对比。g .在1000小时内保持500 mA cm-2所需电势的时间演变情况，电流-时间(I–t)曲线。h.与文献的性能相比较。

该研究工作由青岛科技大学王磊和赖建平课题组于2021年发表在NATURE COMMUNICATIONS期刊上。原文：Solvent-free microwave synthesis of ultra-small Ru-Mo2C@CNT with strong metal-support interaction for industrial hydrogen evolution。

导师姓名：王磊

出生年月：1979.09

职称：教授

学历学位：博士学位

导师类别：博士生导师/硕士生导师

所属院系：化学与分子工程学院

行政职务：生态化工国家重点实验室培育基地副主任

招生专业：化学各相关专业（学硕）、应用化学、材料与化工（专业学位）

研究方向：能源转换与储存材料（光电催化、锂电等）、超分子化学、金属-有机配位聚合物、有机-无机杂化材料等

联系方式：inorchem@126.com；15053279782

个人简介

王磊，教授，山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学崂山学者, 博士生导师。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，导师冯守华院士。2008.10年-2010.10年在山东大学材料科学与工程博士后流动站从事博士后工作，导师陶绪堂教授；2012.11-2013.05于美国The University of Texas at San Antonio, Chemistry of Department做访问学者，合作导师陈邦林教授。长期从事绿色能源相关领域研究，在能源储存与转换材料、光电催化、超分子化学、金属-有机配位聚合物、有机-无机杂化材料等方面做出了出色的工作，先后合成出来首例微孔亚磷酸铍和首例具有三棱镜结构的高稳定金属有机钠盐。已在Adv. Mater.,Adv. Enery Mater., Energ Environ Sci, Energy Storage Mater.，Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ.J. Mater. Chem. A., Science.China.Chem.、中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文一百八十余篇, 其中通讯作者影响因子大于10.0 的论文二十余篇。主持国家级和省部级项目十余项，首位获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共四项。

工作经历

2014.12 - 至今，青岛科技大学，化学与分子工程学院，教授

2007.10 - 2014.12，青岛科技大学，化学与分子工程学院，副教授

2006.07 - 2007.10，青岛科技大学，化学与分子工程学院，讲师

教育背景

2012.11 - 2013.05，美国The University of Texas at San Antonio, Chemistry of Department访问学者

2008.10 - 2010.10，山东大学，晶体材料国家重点实验室，博士后，导师：陶绪堂教授

2001.09 - 2006.06，吉林大学，无机化学，博士，导师：冯守华院士

2001.09 - 2003.09，吉林大学，无机化学，硕士，导师：冯守华院士

1997.09 - 2001.07，曲阜师范大学，化学，学士，导师：刘树祥教授

主持项目列表

1. 山东省泰山学者青年专家人才工程，经费100万

2. 山东省自然科学杰出青年基金项目.ZR2019JQ14，能源转换与存储材料98万

3. 山东省重大科学工程：No.2019JZZY020405高性能分子筛吸附催化材料的绿色合成工艺研究 350万

4. 国家自然科学基金面上项目，51772162、高效双金属磷化物基析氢催化剂的控制合成及其构效关联研究(77万)、在研。

5. 国家自然科学基金面上项目，21571112、石墨烯/过度金属氧化物复合材料的电化学可控合成及超级电容性能研究(83万)、结题。

6. 国家自然科学基金面上项目，高性能Li4Ti5O12-TiO2双相体系纳米材料可控合成及其电化学性能研究(80万)、已结题

7. 国家自然科学基金青年基金，有机膦酸铟(镓)微孔化合物的合成、结构及三阶非线性光学性能研究(16万)、已结题。

8. 山东省优秀中青年科学家奖励基金, 阵列化半导体量子点的制备及其在太阳电池中的应用(7万)、已结题。

9. 山东省自然科学基金，金属卟啉分子为构造块的金属－有机骨架化合物合成和性能研究 (5万)、已结题。

近三年以通讯作者发表代表性论文：

1. J.X. Xu, Q.J. Ji, X.M. Yan, C. Wang,L. Wang*, Ni(acac)2/Mo-MOF-derived difunctional MoNi@MoO2 cocatalyst to enhance the photocatalytic H2 evolution activity of g-C3N4, Appl. Catal. B: Environ. 2020, 268, 118739–118747.(IF: 14.229)

2. Y.Y. Li, B.W. Sun, H.F. Lin, Q.Q. Ruan, Y.L. Geng, J. Liu, H. Wang*, Y. Yang, L. Wang*, K. C. Tam, Efficient visible-light induced H2 evolution from T-CdxZn1-xS/defective MoS2 nano-hybrid with both bulk twinning homojunctions and interfacial heterostructures, Appl. Catal. B-Environ.2020, 267, 118702. (IF: 14.229)

3. H. Zhao, D. Zhang, Z. Wang, Y. Han, X. Sun, H. Li, W. Xueke, Y. Pan, Y. Qin, S. Lin, Z. Xu, J. Lai*,L. Wang*, High-performance nitrogen electroreduction at low overpotential by introducing Pb to Pd nanosponges, Appl. Catal. B: Environ., 2020, 265, 118481-118502.(IF: 14.229)

4. L. Zong, W. Wu, S. Liu, H. Yin, Y. Chen*, C. Liu, K. Fan, X. Zhao, X. Chen, F. Wang, Y. Yang, L. Wang*, S. Feng, Metal-Free, Active Nitrogen-Enriched, Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Ultrastable Zinc-Air Batteries. Energy Storage Materials, 2020, 27, 514-521

5. D. D.Li, S. S.Zhang, Q.Zhang, P. Kaghazchi, H. C. Qi, J.Liu, Z. Y.*Guo,L. Wang*, Y. G. Wang, Pencil-drawing on Nitrogen and Sulfur co-doped carbon paper: An Effective and Stable host to pre-store Li for High-performance Lithium–air Batteries. Energy Storage Mater. 2020, 26, 593-603

6. X. Wu, Z. Wang, Y. Han, D. Zhang, M. Wang, H. Li, H. Zhao, Y. Pan, J. Lai*, L. Wang*, Chemically coupled NiCoS/C nanocages as efficient electrocatalysts for nitrogen reduction reactions,J. Mater. Chem. A,2020, 8, 543-547. (IF: 10.733)

7. H. Li, Y. Pan, D. Zhang, Y. Han, Z. Wang, Y. Qin, S. Lin, X. Wu, H. Zhao, J. Lai*, B. Huang,L. Wang*, Surface oxygen-mediated ultrathin PtRuM (Ni, Fe, and Co) nanowires boosting methanol oxidation reaction, J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 2323-2330. (IF: 10.733)

8. H.D. Li, W. Ali, Z.C. Wang, M.F. Mideksa, F. Wang,X.L. Wang*,L. Wang*, Z.Y. Tang, Enhancing hot-electron generation and transfer from metal tosemiconductor in a plasmonic absorber, Nano Energy,2019, 63, 103873. (IF : 15.548)

9. D. Zhang, H. Zhao, B. Huang, B. Li, H. Li, Y. Han, Z. Wang, X. Wu, Y. Pan, Y. Sun, X. Sun, J. Lai*, L. Wang*, Advanced Ultrathin RuPdM (M= Ni, Co, Fe) Nanosheets Electrocatalyst Boosts Hydrogen Evolution, ACS Cent. Sci., 2019,5, 1991-1997. (IF : 12.837)

10. J. L.Li,H. M.Zhao,H. C.Qi,X. M.Sun, X. Y.Song, Z. Y.*Guo, A. G.Tamirat,, Liu, J., L. Wang*, S. H. Feng, Drawing a Pencil-Trace Cathode for a High-Performance Polymer-Based Li-CO2 Battery with Redox Mediator.Adv. Funct. Mater.2019,29, 1806863.(IF : 15.621)

11. J.X. Xu, Y.H. Qi, L. Wang*, In situ derived Ni2P/Ni encapsulated in carbon/g-C3N4 hybrids from metal–organic frameworks/g-C3N4 for efficient photocatalytic hydrogen evolution, Appl. Catal. B: Environ. 2019 ,246, 72–81.(IF: 14.229)

12. J.X. Xu, Y.H. Qi, C. Wang, L. Wang*, NH2-MIL-101(Fe)/Ni(OH)2-derived C,N-codoped Fe2P/Ni2P cocatalyst modified g-C3N4 for enhanced photocatalytic hydrogen evolution from water splitting. Appl. Catal. B: Environ. 2019, 241 178–186. (IF: 14.229)

13. Z. Y.Guo, J. Li,, H. C.Qi, X. M.Sun, H. D.Li, A. G.Tamirat, J.Liu,Y. G.Wang, L. Wang*, : A Highly Reversible Long-Life Li-CO2 Battery with a RuP2-Based Catalytic Cathode. Small2019,15, 1803246.(IF: 10.856)

14. Y.M. Du, M.J. Zhang, Z.C. Wang, Y.R. Liu*, Y.J. Liu, Y.L. Geng,L. Wang*, A self-templating method for metal–organic frameworks to construct multi-shelled bimetallic phosphide hollow microspheres as highly efficient electrocatalysts for hydrogen evolution reaction,J. Mater. Chem. A., 2019, 7, 8602-8608. (IF: 10.733)

15. Z. Y.Guo, F. M.Wang,Z. J.Li,Y.Yang, A. G.Tamirat, H. C.Qi, J. S.Han,L. Wang*,S. H.Feng, Lithiophilic Co/Co4N nanoparticles embedded in hollow N-doped carbon nanocubes stabilizing lithium metal anodes for Li–air batteries. J. Mate. Chem. A 2018, 6, 22096-22105. (IF: 10.733)

16. Z. Y.Guo, F. M.Wang,Y.Xia,J. L.Li, Tamirat, A. G., Y. R.Liu , L. Wang* , Y. G.*Wang, Y. Y.Xia,In Situ Encapsulation of Core–Shell–Structured Co@Co3O4 into Nitrogen-Doped Carbon Polyhedra as a Bifunctional Catalyst for Rechargeable Zn–Air Batteries. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 1443-1453. (IF: 10.733)

17. J.Liu, Y. Xuan, G. D.Galpaya., Y. Gu, Z. Lin, S. Zhang, C. Yan, S. Feng, L. Wang*, A high-volumetric-capacity and high-areal-capacity ZnCo2O4 anode for Li-ion batteries enabled by a robust biopolymer binder, J. Mater. Chem. A, 2018,6, 19455-19462.(IF: 10.733)

18. Z. Y.Guo, J. L.Li,Y.Xia, C.Chen, , F. M.Wang, Tamirat, A. G., Y. G. Wang,Y. Y.*Xia,L. Wang*, S. H.Feng, A flexible polymer-based Li–air battery using a reduced graphene oxide/Li composite anode. J. Mate. Chem. A2018,6, 6022-6032. (IF: 10.733)

19. J.X. Xu, J. Gao, C. Wang, Y. Yang,L. Wang*, NH2-MIL-125(Ti)/graphitic carbon nitride heterostructure decoratedwith NiPd co-catalysts for efficient photocatalytic hydrogenproduction, Appl. Catal. B: Environ. 2017, 219, 101–108. (IF: 14.229)

20. H.F. Lin, H.Y. Li, Y.Y. Li, J.L. Liu, X. Wang, L. Wang*, Hierarchical CoS/MoS2 and Co3S4/MoS2/Ni2P nanotubes for efficient electrocatalytic hydrogen evolution in alkaline media,J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 25410-25419. (IF: 10.733)

工作和教育经历：

2019/03 - 至今，青岛科技大学，化学与分子工程学院，特聘教授，泰山学者青年专家

2017/04 - 2019/03，北京大学，工学院，博士后，合作导师：郭少军研究员

2011/09 - 2017/01，中国科学院长春应用化学研究所，分析化学，博士，导师：徐国宝研究员

2007/09 - 2011/07，福州大学，化学基地班，学士

研究方向：

主要从事纳米材料的可控合成及其在能源电催化领域的应用。近五年发表SCI论文50余篇，其中以第一作者和通讯作者身份在 Chem、Joule、 Energy Environ. Sci.（2）、 Adv. Mater.、 ACS Cent. Sci.、 Adv. Energy Mater.、 Nano Today、 Appl. Catal. B: Environ.（2）、 Small、 J. Mater. Chem. A（3）等国际著名期刊上发表SCI论文19篇。

近五年代表性论文：

[1] Zhao, H., Zhang, D., Wang, Z., Han, Y., Sun, X., Li, H., Xueke, W., Pan, Y., Qin, Y., Lin, S., Xu, Z., Lai, J.*, Wang, L.* High-performance nitrogen electroreduction at low overpotential by introducing Pb to Pd nanosponges. Appl. Catal. B: Environ. 265, 118481 (2020). (IF: 14.229)

[2] Wu, X., Wang, Z., Han, Y., Zhang, D., Wang, M., Li, H., Zhao, H., Pan, Y., Lai, J.*, Wang, L.* Chemical coupled NiCoS/C nanocages as efficient electrocatalyst for nitrogen reduction reaction. J. Mater. Chem. A 8, 543-547(2020). (IF: 10.733)

[3] Li, H., Pan, Y., Zhang, D., Han, Y., Wang, Z., Qin, Y., Lin, S., Wu, X., Zhao, H., Lai, J.*, Huang, B.*, Wang, L.*Surface oxygen-mediated ultrathin PtRuM (Ni, Fe and Co) nanowires boosting methanol oxidation reaction. J. Mater. Chem. A 8, 2323-2330 (2020). (IF: 10.733)

[4] Zhang, D., Zhao, H., Huang, B., Li, B., Li, H., Han, Y., Wang, Z., Wu, X., Pan, Y., Sun, Y., Sun, X., Lai, J.*, Wang, L.* Advanced ultrathin RuPdM (M = Ni, Co, Fe) nanosheets electrocatalyst boosts hydrogen evolution. ACS Cent. Sci. 5, 1991-1997 (2019). (IF: 12.837)

[5] Lai, J., Huang, B., Chao, Y., Chen, X., Guo, S. Strongly coupled nickel–cobalt nitrides/carbon hybrid nanocages with Pt-Like activity for hydrogen evolution catalysis. Adv. Mater. 30, 1805541 (2019). (IF: 25.809)

[6] Lai, J., Lin, F., Tang, Y., Zhou, P., Chao, Y., Zhang, Y., Guo, S. Efficient bifunctional polyalcohol oxidation and oxygen reduction electrocatalysts enabled by ultrathin PtPdM (M = Ni, Fe, Co) nanosheets. Adv. Energy Mater. 9, 1800684 (2019). (IF: 24.884)

[7] Lai, J., Huang, B., Tang, Y., Lin, F., Zhou, P., Chen, X., Sun, Y., Lv, F., Guo, S. Barrier-free interface electron transfer on PtFe-Fe₂C janus-like nanoparticles boosts oxygen catalysis. Chem 4, 1153-1166 (2018). (IF: 18.205)

[8] Lai, J., Nsabimana, A., Luque, R., Xu, G. 3D porous carbonaceous electrodes for electrocatalytic applications. Joule 2, 76-93 (2018).

[9] Zhou, P.†, Lai, J.†, Tang, Y., Chao, Y., Lin, F., Guo, S. Amorphous FeCoPOx nanowires coupled to g-C3N4 nanosheets with enhanced interfacial electronic transfer for boosting photocatalytic hydrogen production. Appl. Catal. B: Environ. 238, 161-167 (2018). (IF: 14.229)

[10] Lai, J., Guo, S. Design of ultrathin Pt-based multimetallic nanostructures for efficient oxygen reduction electrocatalysis. Small 13, 1702156 (2017). (IF: 10.856)

[11] Lai, J., Li, S., Wu, F., Saqib, M., Luque, R., Xu, G. Unprecedented metal-Free 3D Porous Carbonaceous Electrodes for Full Water Splitting. Energy Environ. Sci. 9, 1210-1214 (2016). (前封面论文) (IF: 33.25)

[12] Li, S.†, Lai, J.†, Luque, R., Xu, G. Designed multimetallic Pd nanosponges with enhanced electrocatalytic activity for ethylene glycol and glycerol oxidation. Energy Environ. Sci. 9, 3097-3102 (2016). (IF: 33.25)

[13] Lai, J., Niu, W., Li, S., Wu, F., Luque, R., Xu, G. Concave and duck web-like platinum nanopentagon with enhanced electrocatalytic properties for formic acid oxidation. J. Mater. Chem. A 4, 807-812 (2016). (IF: 10.733)

[14] Lai, J., Niu, W., Luque, R., Xu, G. Solvothermal synthesis of metal nanocrystals and their applications. Nano Today 10, 240-267 (2015). (IF: 16.582)