清華新聞網(wǎng)7月29日電 7月24日，清華-伯克利深圳學(xué)院劉碧錄、成會(huì)明團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（NatureCommunications）期刊上在線(xiàn)發(fā)表了題為“大規(guī)模制備廉價(jià)礦物基二維材料大電流產(chǎn)氫電催化劑”（High-Throughput Production of Cheap Mineral-Based Two-Dimensional Electrocatalysts for High-Current-Density Hydrogen Evolution）的研究論文。該研究開(kāi)發(fā)了一種大通量制備二維二硫化鉬（MoS2）漿液電催化劑的方法，所制備的二維二硫化鉬基電催化劑具有良好的電解水產(chǎn)氫活性，在1Acm-2的大電流密度下所需過(guò)電壓僅為412mV，并呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。同時(shí)，該方法可以拓展至以低成本礦物自然資源為原料來(lái)制備電催化劑，是目前已報(bào)道制備速率最快、成本最低的方法之一。該工作對(duì)二維材料的工業(yè)應(yīng)用以及低成本大儲(chǔ)量礦石等自然資源的高附加值應(yīng)用開(kāi)發(fā)具有較大指導(dǎo)意義。
大通量制備二硫化鉬基漿液型電催化劑的過(guò)程
當(dāng)前，利用電解水方法制備氫氣是可再生能源轉(zhuǎn)化和可持續(xù)發(fā)展的有效策略之一。電解水制氫技術(shù)目前最大的問(wèn)題是其高能耗與高成本。因此，開(kāi)發(fā)和使用高效廉價(jià)電催化劑，是實(shí)現(xiàn)電解水產(chǎn)氫技術(shù)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的前提。鉑基催化劑是公認(rèn)最有效的電解水產(chǎn)氫催化劑，然而鉑的低儲(chǔ)量導(dǎo)致成本高昂，限制了其大規(guī)模工業(yè)使用。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)高效和廉價(jià)的大電流產(chǎn)氫電催化劑以及其規(guī)模制備方法，成為發(fā)展工業(yè)化電解水產(chǎn)氫技術(shù)的重要研究方向?；谘芯繄F(tuán)隊(duì)前期對(duì)二維材料規(guī)模制備(National Science Review, 2020, 7, 324)及大電流密度電解水產(chǎn)氫催化劑設(shè)計(jì)(Nature Communications, 2019, 10, 269)的工作基礎(chǔ)，本文進(jìn)一步提出了大通量、可放大規(guī)?；苽涠S材料大電流產(chǎn)氫電催化劑的方法。所制備的二硫化鉬基電催化劑在驅(qū)動(dòng)1000mAcm-2的電流密度時(shí)所需的過(guò)電壓僅為412mV（0.5 M H2SO4的酸性體系中）與440mV（1.0 M KOH的堿性體系中）。
大電流密度下二維二硫化鉬電解水產(chǎn)氫性能
此外，該催化劑在大電流密度下具有良好的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出優(yōu)異的電解水性能。為進(jìn)一步驗(yàn)證并推廣該制備策略，團(tuán)隊(duì)采用低成本鉬礦自然資源為原料制備電催化劑，測(cè)試表明所制備的礦物基電催化劑具有良好的電催化性能以及放大生產(chǎn)能力，其中所用的鉬礦成本僅為鉑價(jià)格的十萬(wàn)分之一，有望推動(dòng)該低成本高性能電催化劑的工業(yè)化應(yīng)用。研究顯示，該制備方法是目前最為高效的二維材料電催化劑制備方法，其制備速率優(yōu)于已報(bào)道結(jié)果1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，所得電催化劑是目前大電流密度下性能最佳的催化劑之一。以上研究結(jié)果對(duì)二維材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，以及低成本礦石自然資源的高附加值應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，相關(guān)策略還有望進(jìn)一步拓展至其他材料及反應(yīng)體系中。
以廉價(jià)鉬礦為原料制備的催化劑及其電解水產(chǎn)氫性能
該制備方法及所得催化劑的性能與現(xiàn)有催化劑的對(duì)比
論文共同第一作者為清華-伯克利深圳學(xué)院2017級(jí)碩士生張弛、2017級(jí)博士生羅雨婷，論文通訊作者為劉碧錄副教授，論文作者還包括2018級(jí)博士生譚雋陽(yáng)、余強(qiáng)敏博士、2018級(jí)碩士生楊豐寧、2018級(jí)博士生張致遠(yuǎn)、楊柳思博士及成會(huì)明教授。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金委以及深圳市工信局、科創(chuàng)委和發(fā)改委等部門(mén)支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17121-8
供稿：清華-伯克利深圳學(xué)院
編輯：曲田
