清華新聞網(wǎng)5月25日電 環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)促使全球進(jìn)入能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和轉(zhuǎn)型階段，人們對(duì)可再生能源技術(shù)提出了更高的要求。氫能是目前質(zhì)量能量密度最高（是汽油的三倍）的可再生能源，電解水制氫是實(shí)現(xiàn)綠色氫能源戰(zhàn)略的重要技術(shù)，但是由于該技術(shù)成本不具競(jìng)爭(zhēng)力，較難廣泛應(yīng)用。因此，進(jìn)一步降低該技術(shù)的成本是實(shí)現(xiàn)清潔制氫的關(guān)鍵。目前，提高催化劑效率、延長(zhǎng)催化劑使用壽命，可以減少電能消耗和頻繁更換催化劑的成本。同時(shí)，使用低品質(zhì)水，如海水、鹽水等，可以進(jìn)一步降低電解水的原料成本。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種高效穩(wěn)定的鹽水電解析氫催化劑具有重要意義。
Pt/Ni-Mo催化劑設(shè)計(jì)原理和及其催化性能
近日，清華-伯克利深圳學(xué)院劉碧錄團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院李炯團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)兩步法制備出Pt納米顆粒高分散在高比表面積的Mo-Ni基底上的析氫催化劑（Pt/Ni-Mo），僅需42mV和113mV的過(guò)電勢(shì)，即可分別在1M KOH和鹽水（1M KOH+0.5 M NaCl）中達(dá)到2000 mA cm-2的電流密度，并能夠?qū)崿F(xiàn)大面積生長(zhǎng)和膜電極應(yīng)用，為電解水制氫技術(shù)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用提供了幫助。
該材料鉑納米顆粒高分散在具有豐富納米結(jié)構(gòu)的Ni-Mo混合物的表面（Pt/Ni-Mo），并對(duì)該材料進(jìn)行了詳細(xì)表征。該Ni-Mo混合物骨架提供了超高的比表面積和優(yōu)異的親水性，有利于反應(yīng)物及生成物的轉(zhuǎn)移和傳輸，而納米尺寸的鉑顆粒則提供了優(yōu)異的本征活性。Pt/Ni-Mo催化劑從多維度協(xié)同共同實(shí)現(xiàn)了截至目前報(bào)道過(guò)的最佳性能。
Pt/Ni-Mo材料合成與表征
Pt/Ni-Mo的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和組成通過(guò)提升物質(zhì)傳輸與電荷傳輸進(jìn)而增強(qiáng)析氫反應(yīng)性能
解決在工業(yè)條件下或在低品質(zhì)水中的催化劑壽命問(wèn)題，對(duì)于電解水制氫的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。因此，該研究進(jìn)一步探究了Pt/Ni-Mo催化劑在模擬海水和工業(yè)條件下的高活性和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。該催化劑不僅在堿性溶液下能穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)140小時(shí)，在鹽水（1M KOH+0.5 M NaCl）中僅需113mV的過(guò)電勢(shì)就可達(dá)到2000 mA cm-2的電流密度，并穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)24小時(shí)。同時(shí)，能夠在80攝氏度的溫度下的強(qiáng)堿溶液（6M KOH）中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。
Pt/Ni-Mo催化劑在多種條件下的穩(wěn)定性測(cè)試
大面積制備和商業(yè)制氫機(jī)中的應(yīng)用
該研究還探索了催化劑的大面積合成，可以實(shí)現(xiàn)700cm2的大面積制備。并替換制氫機(jī)膜電極中的商用催化劑，實(shí)現(xiàn)了性能的超越，從而證明了該催化劑具有巨大的應(yīng)用潛力。
相關(guān)論文以“可在大電流下用鹽水電解制氫的高效穩(wěn)定催化劑”（A durable and efficient electrocatalyst for saline water splitting with current density exceeding 2000 mA cm?2）為題在線(xiàn)發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。本文通訊作者為清華-伯克利深圳學(xué)院劉碧錄副教授和中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院李炯研究員，第一作者為清華-伯克利深圳學(xué)院碩士研究生楊豐寧，清華-伯克利深圳學(xué)院羅雨婷博士為共同第一作者。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010367
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：呂婷
