我实验室余芳教授在Nature子刊发表电解水制氢重要研究成果

6月29日，国际顶尖期刊Nature子刊Nature Communications在线发表了我校低维量子结构与调控教育部重点实验室余芳教授，美国休斯敦大学物理系和超导研究中心陈硕、任志锋教授，休斯敦大学电子系包吉明教授以及加州理工学院Goddard教授等人合作的学术论文“High-performance bifunctional porous non-noble metal phosphide catalyst for overall water splitting”。该研究成果从电解水制氢的产业化应用角度出发，在廉价的商业化泡沫镍表面原位构建了高密度磷化铁/磷化二镍的纳米晶（5-30纳米）杂化结构，研发出在碱性环境中能同时高效析氢和析氧的高性能双功能电解水催化剂，率先实现了双功能催化剂在高电流密度500 mA/cm²下长时间稳定地进行全分解水制氢反应，为电解水产氢的工业化提供了研究思路。文章当天发表后，上百个国内外媒体、网站（Science Daily、Phys. Org.等）纷纷报道了该研究成果，同时编辑部将该文章作为能源材料的“featured article”在期刊上进行“highlight”。

近年来，氢燃料电池汽车的探索和开发吸引了众多汽车厂家（日本丰田、韩国现代等）的广泛兴趣。然而，氢气的廉价、大规模生产仍然是一个挑战。电解水制氢技术可以将大自然蕴藏量巨大的可再生清洁能源太阳能、风能或水能以及这些能源发电的多余电量转化为可储存、运输的氢化学能，无碳排放，氢气纯度高达98%，是非常有效的制氢途径之一。然而，廉价、高效催化剂的匮乏严重阻碍了该技术的商业化进程。在碱性环境中，为了降低催化剂成本，工业界一般采用廉价的镍基合金或镍碳复合材料作为催化剂材料，但相应的电解水析氧、析氢反应过电位过高，大大降低了水分解制氢的转换效率，增加电能损耗。基于此，科学家们开始研发更加廉价、高效的电解水析氢、析氧催化剂，其中双功能催化剂（同时具有析氢和析氧功能）的制备是一个热点。然而，目前大部分双功能催化剂只能在单个析氢或析氧反应中具有优异的催化活性，无法同时在析氢和析氧反应中都表现出高催化活性。另一方面，大多数催化剂的研究工作主要局限于降低低电流区域的析氢、析氧过电位以及稳定性测试，而对催化剂在高电流密度下的过电位及稳定性测试关注甚少，这恰恰是水分解制氢走向产业化必须攻克的科学难题之一。近年来，余芳教授和休斯敦大学任志锋教授、美国科学院院士朱经武教授等人合作，一直致力于解决这一难题，于2017年率先在国际知名期刊美国科学院院刊PNAS上以共同第一作者报道了一种高活性且在高电流密度下性能稳定的电解水析氧催化剂（PNAS2017, 114, 5607），并且就此申请了1项美国发明专利。

我实验室余芳教授为本文的第一作者，湖南师范大学是第二合作单位。她是我校物理与电子科学学院2007届本科毕业生。本科毕业后，免试保送在本校攻读硕士学位。2013年在中国科学院国家纳米科学中心获得博士学位。之后在美国休斯敦大学物理系和超导研究中心任志锋教授课题组从事博士后研究三年多。2018年以校聘教授的身份加入我校物理与电子科学学院，从事教学与科研工作。