北大团队研发硫化铌纳米片，能用于电解水制氢和氢燃料电池

郇亚欢，目前是华为公司的一名工程师，其本科和博士先后毕业于南京理工大学和北京科技大学，博二时加入北京大学接受联合培养。博士毕业之后，她又在北大做了两年博后研究。

图 | 郇亚欢（来源：郇亚欢）

二维纳米材料的可控制备、精细表征、新奇物性研究、及其在微纳电子和能源领域的应用，是她在读博和博后期间的主要研究方向。

截止目前，她曾以第一作者、共同一作、通讯作者等身份，在 Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Advanced Energy Materials、ACS Nano、ACS Energy Letters 等刊物上累计发表 10 余篇论文。

尽管在基础研究领域已经深耕多年，但是郇亚欢在结束博士后研究之后，选择了加入华为公司。

她表示：“我很希望能有机会了解业界真正需要什么，以及如何将产学研结合起来。华为为我提供了一个理想的平台，在这里我不仅可以继续做科研，还能学习如何将理论研究转化为实际产品和技术。”

值得注意的是，在北大期间她曾发表过一篇关于催化剂的论文，并由她本人担任共同通讯作者。

据介绍，这一工作旨在解决目前电催化析氢领域的关键问题——寻找催化活性高且廉价的非贵金属催化剂，助力实现氢能源广泛应用的愿景。

多年来，尽管学界已经研发多款具备应用前景的催化剂。但是，想要实现大规模的应用，还有很多问题需要解决，例如部分活性高的催化剂其化学稳定性较差，以至于会影响使用寿命。

此外，催化剂和电极之间的粘附性也亟待改善，将催化剂单纯地涂敷在电极表面，很容易在大电流时发生脱落，不能满足大规模生产需求。

为了解决上述两个问题，郇亚欢和此前在北大的同事启动了本次研究。她表示：“我本人和当时所在的课题组，在金属性过渡金属硫属化合物的制备和电催化上，已经拥有多年的研究积累。”

同时，本次工作也基于课题组的一项前期成果——在多孔金上制备的垂直硫化钽纳米片。但在上一项研究中，他们所选用的多孔金基底并不适用于实际生产。

因此在本次工作中，该团队希望找到性能更好、造价更便宜的衬底和电极材料。基于此，他们定下这样一个研究目标：在廉价导电的衬底上，制备具有垂直结构的纳米片催化剂，以此实现高效的电催化析氢。

最终，他们开发出一种批量制备方法，让制备 3D 垂直的高质量硫化铌纳米片成为可能。这种垂直结构的硫化铌纳米片，可以提供大量的活性位点，从而能够带来高效的催化效果。

（来源：Advanced Energy Materials）

与此同时，对于高晶体质量的硫化铌来说，由于其化学性质更加稳定，当纳米片在电催化过程中，特别是大电流情况下不易发生破碎。

此外，他们还将碳纳米管布作为生长基底和电极材料，让硫化铌纳米片和碳纳米管之间形成独特的互锁结构，从而形成较强的界面耦合，进而让纳米片结构在大电流下有非常好的稳定性和催化性能，借此在大电流下之下实现了高效的电催化产氢，为发展高效稳定的催化剂和电极结构提供了有效解决方案。

日前，相关论文《碳纳米管薄膜上高度稳定的垂直取向 2H-硫化铌纳米片具有优异的电催化活性》（Highly Stable Vertically Oriented 2H-NbS2 Nanosheets on Carbon Nanotube Films toward Superior Electrocatalytic Activity）为题发在 Advanced Energy Materials[1]。

北京大学 Peng You 博士是第一作者，郇亚欢和北京大学教授张艳锋担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Energy Materials）

预计这一成果在氢能源领域具备一定的应用前景，即能用于电解水制氢、氢燃料电池等。

此外，其他科研团队曾证明硫化铌也可用于钾离子电池负极材料，因此这种硫化铌/碳纳米管结构在钾离子电池中的应用前景也值得被进一步挖掘。

尽管郇亚欢已经加入业界，但是张艳锋团队将继续专注于进一步提升金属性过渡金属硫属化合物基催化剂的电催化活性。

该类材料的塔菲尔斜率比较小，但是开启电压比较大。因此，课题组打算从材料改性和结构优化等方面入手，降低该类催化剂的开启电压，从而增加它的催化效率，以便让其能够适用于实际应用场景，进而推动电催化析氢领域的进一步发展。