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　　碳納米材料憑借其優(yōu)異的理化性質(zhì)，常用作金屬電催化劑的載體。近年來許多研究表明，催化劑中的碳基載體和金屬成分之間存在廣泛的協(xié)同效應(yīng)并能進(jìn)一步提高電催化劑的催化性能。但是，不同的碳納米材料和金屬組分之間會(huì)產(chǎn)生不同的相互作用從而直接影響材料的催化活性。因此，合理的進(jìn)行碳納米載體和金屬組分之間的搭配可以更加精確的調(diào)控催化劑的性能，并對(duì)進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用具有十分重要的影響。

　　圖1. (a) 石墨烯，多壁碳納米管和單壁碳納米管的電子態(tài)密度。(b, c, d, e, f) Rh/SWNTs, Rh/MWCNTs, Rh/G和Rh/C的TEM圖和酸性HER性能。

　　和其它碳納米材料相比，單壁碳納米管(SWNTs)在費(fèi)米能級(jí)處具有約為0.7 eV的帶隙(圖1)，大于多壁碳納米管(MWCNTs, 0.4 eV)和石墨烯(G, 0 eV)。較大的帶隙使其成為一種良好的電子受體，其可以接受諸如離子液體，氧化石墨烯和不同電性有機(jī)小分子上的電子。根據(jù)不同碳納米材料之間帶隙的差異，作者選取銠(Rh)作為金屬組分，并在炭黑(C)，石墨烯，多壁碳納米管和單壁碳納米管上分別負(fù)載了尺寸約為2 nm的Rh納米晶。

　　圖2.Rh/SWNTs界面處電極極化效應(yīng)及其效果示意圖

　　在本文中，作者發(fā)現(xiàn)SWNTs可以誘導(dǎo)金屬銠(Rh)納米粒子的外層電子發(fā)生極化(圖2)，同時(shí)Raman和電子吸收光譜顯示極化的電子并未轉(zhuǎn)移至碳管上而是轉(zhuǎn)移至Rh和SWNTs的界面處。這樣由SWNTs誘導(dǎo)產(chǎn)生的電子極化效應(yīng)顯著提高了材料界面處的電子密度并顯著提高了其催化還原型反應(yīng)HER的性能。在電流密度為10 mA cm-2的情況下，其在酸性和堿性介質(zhì)中的過電勢(shì)分別為25 mV和48 mV，Tafel斜率分別低至20 mV dec-1和27 mV dec-1，優(yōu)于商業(yè)化的Pt/C催化劑。此外，作者還發(fā)現(xiàn)不同碳納米材料負(fù)載上Rh納米晶后，其HER性能順序與碳納米材料的帶隙相關(guān)，帶隙越大，HER性能越好。

　　圖3. Rh/SWNTs作為空氣陰極的鋅-空氣電池性能

　　不僅于此，Rh/SWNTs界面處較高的電子密度還可顯著提升其ORR性能，并且由于Rh外層電子發(fā)生極化使其更易于被氧化成為高價(jià)氧化物，進(jìn)而還提升了材料的OER性能并與商業(yè)化RuO2相當(dāng)。最后，基于Rh/SWNTs良好的三功能性能，作者直接將其應(yīng)用至全水分解的陰極和陽極，在1 M KOH中僅需1.59 V就可達(dá)到電流密度為10 mA cm-2，此外，還可將其作為空氣電極應(yīng)用至自主裝鋅-空氣電池中，兩節(jié)電池直接串聯(lián)就可達(dá)到2.55 V的電壓。(圖3)

　　總結(jié)：本文通過分析比較不同碳納米材料的電子態(tài)密度，發(fā)展了一種界面電催化劑。材料界面間的電子極化作用使得材料同時(shí)擁有高效的三功能電催化性能，為合理選擇電催化劑的碳基載體提供了一定的參考。

　　相關(guān)背景及導(dǎo)師簡介：

　　據(jù)了解，為發(fā)揮教師在學(xué)生培養(yǎng)中的引導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，鼓勵(lì)更多責(zé)任心強(qiáng)的教師參與本科生指導(dǎo)工作，建立新型師生關(guān)系，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入本科教學(xué)工作，提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院作為陜西省首批創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)試點(diǎn)學(xué)院在本科生中實(shí)行導(dǎo)師制，并設(shè)立院級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，旨在關(guān)心學(xué)生個(gè)體成長和加強(qiáng)本科生科研訓(xùn)練。目前，學(xué)院本科生100%進(jìn)入導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了本科教學(xué)和研究生教育的有機(jī)結(jié)合和無縫對(duì)接。目前院級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目覆蓋率達(dá)到60%以上，培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的本科生。

　　楊逢春，西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師。2005年獲蘭州大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位；2010年獲蘭州大學(xué)高分子化學(xué)博士學(xué)位；2010–2011年美國Clemson University博士后；2012年至今就職于西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院；2013-2014年任日本大阪大學(xué)特任助教。主持國家自然科學(xué)基金青年基金、陜西省科技廳國際合作基金、科技廳自然科學(xué)基金、教育廳自然科學(xué)基金、中國博士后基金等。研究方向： 單壁碳納米管的分離及性能研究；碳納米材料的制備、功能化及其電化學(xué)性能研究；光電高分子材料合成及性能研究。

　　常春然，西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。1986年5月生，山東聊城人。2013年博士畢業(yè)于清華大學(xué)，主要從事與能源、環(huán)保相關(guān)的催化新材料的設(shè)計(jì)與構(gòu)建、多相催化反應(yīng)機(jī)理、以及綠色催化反應(yīng)體系開發(fā)等方面的研究。主持國家自然科學(xué)基金（2項(xiàng)）、陜西省自然科學(xué)基金、中國博士后基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。在Nature Communications,，JACS，Advanced Functional Materials，ACS Catalysis等國際權(quán)威期刊上發(fā)表SCI論文30余篇，論文總引用次數(shù)850余次,個(gè)人H-因子為17。2017年分別入選西安交通大學(xué)第三屆“十大學(xué)術(shù)新人”，陜西省高?？茀f(xié)“青年人才托舉計(jì)劃”和陜西省普通高校首批“青年杰出人才”。