人类社会的存在和发展离不开能源。现在我们人类使用的能源主要还是化石能源：煤，石油和天然气。但是，化石能源是不可再生资源，最终将会枯竭，且这些碳基能源的使用导致二氧化碳的过度排放，带来日益严重的温室效应，这促使新型清洁能源技术的开发利用势在必行。氢气，作为一种能源，具有零碳排放、无污染、可循环利用和燃烧值高等的优点，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。在我国“十四五”规划纲要中，氢能为“前瞻谋划未来产业”之一。目前，氢能源行业在我国迎来前所未有的蓬勃发展，将极大地助力碳中和碳达峰目标的实现，推动我国高质量能源体系的建立。

氢元素在地球上主要以化合物的形式存在于水和化石燃料中，而氢能作为一种二次能源，需要通过制氢技术进行提取。如何能大量而廉价的生产氢是氢能源产业首先要攻克的关键问题。目前，电解水制氢被认为是最有希望大规模制备氢气的技术，其所需电能可由包括太阳能、水能、风能及海洋能等的可再生能源产生，此种方法所制备氢气成为“绿氢”。如图1所示，电解水反应包括阴极的析氢反应（HER）和阳极的析氧反应（OER）。另一方面，氢燃料电池包含阳极的氢氧化反应（HOR）和阴极的氧还原反应（ORR），动力学缓慢的ORR过程是制约氢燃料电池效率和性能的主要因素。为降低以上电极反应的过电势和加快反应速率，电催化剂是必需的材料。

图1.（A）氢能源技术中电解水制氢及氢燃料电池示意图，（B）电解水制氢及氢燃料电池中涉及的电极反应及其典型极化曲线。[1]

前期工作中，我们课题组利用聚多巴胺（PDA）合成了系列电催化剂。石墨烯和聚PDA合成氮掺杂碳纳米片用作高效的ORR电催化剂；进一步PDA 的硫加成反应，合成氮硫双掺杂的碳纳米片和碳纳米管，分别用作高效的双功能ORR/OER和HER/OER电催化剂；PDA可作为双掺杂平台，用于评价助掺杂剂（硼、磷和硫）对氮掺杂碳纳米片在HER催化活性上的促进作用，发现硫具有最强的促进作用，磷次之，硼能降低氮掺杂材料的HER活性。同时，撰写发表了PDA材料的综述文章，总结了PDA材料在能量转换和存储领域中的应用 （图2）。另外，课题组分别利用天然DNA和吡啶硫酮锌合成系列掺杂碳及金属/掺杂碳复合材料用于ORR和HER电催化剂。

图2. PDA材料的独特优势、PDA衍生的功能材料及在相关能源领域的应用。[2]

另外，阳极OER的标准电势为1.23 V，且涉及到4电子转移反应，其动力学反应缓慢，导致电解水中90%的电力消耗来自于阳极OER。肼氧化反应（HzOR，N2H4 + 4OH- = N2 + 4H2O + 4e-）具有很低的标准反应电势（-0.33 V），且产物仅为氮气。因此，将阴极HER和阳极HzOR结合有望实现低能耗高效绿色制氢，而研究开发高性能的双功能HER和HzOR电催化剂是实现这一技术的关键。课题组制备了系列Ru基和铱基电催化剂，具有优异的HER/HzOR双功能活性，而且，将HER和HzOR组合得到的混合电解池，与全水电解池相比，具有明显的高效节能优势。

图3. Ru /氮掺杂介孔碳作为HER和HzOR双功能电催化剂，用于HER‖HzOR混合电解制氢。[3]

总之，氢能源产业具有极为广阔的发展前景，对我国实现碳达峰、碳中和目标具有极重要的战略价值，将助力我国社会经济实现绿色低碳发展从量变到质变直至飞跃，但制氢、储氢、用氢等技术领域还亟待突破。青年应不负韶华，脚踏实地，期待更多感兴趣的同学了解并加入，在这一领域用奋斗谱写激昂的 “氢”春乐章。

参考文献：

[1]H. Jin, C. Guo, X. Liu, J. Liu, A. Vasileff, Y. Jiao, Y. Zheng, S.-Z. Qiao, Emerging Two-Dimensional Nanomaterials for Electrocatalysis, Chem. Rev. 2018, 118, 6337-6408.

[2] K. Qu, Y. Wang, A. Vasileff, Y. Jiao, H. Chen, Y. Zheng, Polydopamine-inspired nanomaterials for energy conversion and storage, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 21827-21846.

[3] J. Wang, X. Guan, H. Li, S. Zeng, R. Li, Q. Yao, H. Chen, Y. Zheng, K. Qu, Robust Ru-N metal-support interaction to promote self-powered H2 production assisted by hydrazine oxidation, Nano Energy 2022, 100, 107467.

导师简介

曲孔岗，博士，副教授，硕士研究生导师，“光岳英才”二层次人才。现为《稀土》，《聊城大学学报(自然科学版)》期刊编委。主要从事碳复合材料在电催化制氢，燃料电池等方面的研究。先后主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省高等学校青创科技支持计划以及校内基金等项目；以第一作者和通讯作者Advanced Energy Materials, ACS Nano，Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Carbon, Nano Research, Nanoscale等期刊发表SCI论文40余篇，论文总引用次数7200余次。科研成果曾获山东省高等学校优秀成果奖、聊城大学自然科学优秀成果一等奖、聊城大学研究生优秀成果奖一等奖等奖励。指导的研究生曾获得国家奖学金、山东省高等学校优秀学生、山东省高校师范类优秀毕业生等重要奖项。

招生专业：无机化学

来源: 聊城大学化学与生活科普工作室