隨著化石能源的逐年消耗，新能源與儲能元件的開發利用成為熱點，其中新型氫能源和超級電容器是兩個研究非常活躍的領域。氫氣是一種高效、清潔的燃料，而電解水析氫不會產生溫室氣體，對環境無污染，是制氫的理想方式。超級電容器是一類新型的儲能元件，具有優異的充放電壽命及高功率密度，有望實現對傳統化學電池部分或全部替代。盡管多種納米材料（如：過渡金屬化合物，異質原子修飾的復雜碳材料）作為產氫或超級電容器電極已表現出優異的電化學性能，然而目前復雜的制備工藝和苛刻的結構調控嚴重制約了其進一步應用。
最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所組合技術及新材料研究課題組在新型電極材料的結構調控、性能優化及機理研究方面取得重要進展。該團隊以廉價原料為前驅體，采用固相法成功合成了具有優異電催化產氫性能的碳包覆Mo2C超細納米顆粒（圖1）。超細Mo2C顆粒的高比表面積有利于增加活性材料表面的反應位點，同時石墨層的高導電性大大促進了電子的傳輸，明顯降低析氫反應的過電勢。這種新型產氫催化劑與商用催化劑Pt(20wt%)/C的性能接近，且具有穩定性優異（圖2）、制備方法簡單易行、原料成本低等特點，已成功推廣至其它碳包裹碳化物（W2C、VC等）納米顆粒的制備和應用。該項工作近期發表于國際期刊Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201506727。審稿人對該工作給予高度評價，認為該非貴金屬析氫催化劑獨特的結構、優異的催化活性和穩定性使其有望取代昂貴的Pt/C商用催化劑得以應用。
此外，該課題組與美國華盛頓大學教授曹國忠合作，利用溶膠-凝膠法成功制備了具有優異超電容性能的硫異質原子修飾的碳氣凝膠電極材料，首次闡述了硫誘導碳材料石墨化過程的機理。所制備電極材料的比電容值在有機電解液體系中高達120.4 F/g，同時在經過2000個充放電循環之后仍能保持94%以上的比電容值，表現出優異的循環穩定性（圖3）。該工作近期發表于期刊Nano Energy, 2015, 12, 567。審稿人高度評價了該論文的研究結果：“本文作者首次報道了硫誘導石墨化改善碳材料比電容值的現象，將為高性能有機體系超級電容器的開發提供重要的科學依據及現實意義。”
上述工作的主研人員為新近加入該研究團隊的馬汝廣、周遙以及中科院“百人計劃”研究員王家成。以上研究工作得到了國家自然科學基金、中科院百人計劃、上海市科委等項目的資助。
圖1: Mo2C@C合成示意圖及相應產物照片
圖2：Mo2C@C的形貌及電催化產氫性能
圖3：硫修飾碳氣凝膠電極材料的超電容性能