清華-伯克利深圳學(xué)院劉碧錄、鄒小龍團(tuán)隊(duì)發(fā)文探討二維材料大電流產(chǎn)氫電催化劑
清華新聞網(wǎng)1月18日電 1月17日，清華-伯克利深圳學(xué)院劉碧錄、鄒小龍、成會(huì)明團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》 （Nature Communications）期刊上在線(xiàn)發(fā)表了題為“調(diào)控結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)制備pH普適大電流產(chǎn)氫電催化劑”（Morphology and Surface Chemistry Engineering for pH-Universal Catalysts toward Hydrogen Evolution at Large Current Density）的研究論文。該研究通過(guò)設(shè)計(jì)和制備三種模型電催化劑（包括貴金屬Pt、具有微納結(jié)構(gòu)的MoS2微球、具有微納結(jié)構(gòu)且表面化學(xué)成分優(yōu)化的MoS2/Mo2C異質(zhì)結(jié)微球），揭示了電催化劑微觀(guān)結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)對(duì)大電流密度電解水產(chǎn)氫性能的影響。
研究發(fā)現(xiàn)，催化劑微觀(guān)結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)組成對(duì)大電流密度下的傳質(zhì)（反應(yīng)電解液和氫氣產(chǎn)物）具有重要影響，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)組成，制備出在大電流密度下具有優(yōu)異性能和穩(wěn)定性的電催化劑。同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算揭示了電化學(xué)環(huán)境會(huì)對(duì)催化劑表面化學(xué)產(chǎn)生影響，進(jìn)而使其在不同的pH條件下都具有優(yōu)異的性能。該工作對(duì)設(shè)計(jì)大電流密度電解水產(chǎn)氫催化劑具有重要指導(dǎo)意義。
圖1. 大電流密度電解水產(chǎn)氫催化劑設(shè)計(jì)策略：電催化劑微觀(guān)結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)組成協(xié)作
當(dāng)前，人類(lèi)對(duì)化石能源的過(guò)度使用導(dǎo)致環(huán)境污染和能源短缺等問(wèn)題日益突出，利用電解水方法制備氫氣是可再生能源轉(zhuǎn)化、進(jìn)而解決能源危機(jī)的一種有效策略。電解水制氫技術(shù)目前最大的問(wèn)題是高能耗。因此，開(kāi)發(fā)和使用高效電催化劑、降低電解水過(guò)程中的電能消耗，是近年來(lái)電解水方向基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用的的重點(diǎn)課題。鉑基催化劑是長(zhǎng)期以來(lái)公認(rèn)最有效的電解水產(chǎn)氫催化劑，但鉑的儲(chǔ)量小、價(jià)格高昂，限制了其大規(guī)模工業(yè)使用。近年來(lái)，非貴金屬催化劑的研究發(fā)展迅速，但該類(lèi)催化的性能依然難與鉑基催化劑媲美。
圖2. 催化劑表面微觀(guān)形貌和化學(xué)組成對(duì)大電流密度反應(yīng)界面?zhèn)髻|(zhì)的影響
從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)講，電解水產(chǎn)氫的大規(guī)模應(yīng)用亟待解決的首要問(wèn)題是發(fā)展適用于大電流密度的電催化劑，如電流密度大于200mA/cm2至1000mA/cm2。目前，對(duì)大電流密度電解水產(chǎn)氫催化劑的設(shè)計(jì)和機(jī)理的研究仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
本文提出了適用于大電流密度電解水產(chǎn)氫催化劑的設(shè)計(jì)和制備新策略，所制備的具有微納結(jié)構(gòu)且表面化學(xué)成分優(yōu)化的MoS2/Mo2C異質(zhì)結(jié)微球電催化劑，在酸性體系下，達(dá)到1000mA/cm2的電流密度所需過(guò)電壓僅為227 mV；在堿性體系下，達(dá)到1000 mA/cm2的電流密度所需過(guò)電壓僅為220mV；此外，該催化劑在中性體系下亦具有良好的性能，表現(xiàn)出不依賴(lài)于電解液pH值的優(yōu)異電解水性能。
圖3. 電化學(xué)環(huán)境與電催化劑表面化學(xué)相互作用對(duì)催化劑本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響
進(jìn)一步測(cè)試表明該催化劑在大電流密度下具有良好的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出很好的實(shí)用前景。實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論研究揭示了該催化劑具有優(yōu)異性能的原因。其一，催化劑的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于大電流密度下的快速傳質(zhì)。其二，在不同電化學(xué)環(huán)境下，催化劑表面具有不同的氧修飾化學(xué)成分，使得該催化劑在各種pH環(huán)境下均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。以上研究結(jié)果對(duì)理解電催化分解水過(guò)程中的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和高效電解水催化劑的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義，相關(guān)設(shè)計(jì)策略有望進(jìn)一步拓展至其他材料體系和電催化反應(yīng)中。
該論文第一作者為清華-伯克利深圳學(xué)院（TBSI）2017級(jí)博士生羅雨婷，論文通訊作者為劉碧錄研究員和鄒小龍研究員。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金委以及深圳市經(jīng)信委、科創(chuàng)委和發(fā)改委等部門(mén)支持。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07792-9
供稿：清華-伯克利深圳學(xué)院 編輯：李華山 審核：周襄楠
