清華新聞網(wǎng)10月20日電 人類(lèi)對(duì)化石能源的過(guò)渡開(kāi)發(fā)和使用引起了一系列環(huán)境污染問(wèn)題，利用可再生能源與電解水技術(shù)整合制備零碳排放的綠氫，對(duì)改善人居環(huán)境、實(shí)現(xiàn)碳中和具有重要意義。在眾多電解水制氫技術(shù)中，質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)的制氫電流密度高達(dá)2000 mA cm-2，然而該技術(shù)面臨電極穩(wěn)定性差、能量轉(zhuǎn)換效率低、制氫成本高等問(wèn)題，在工業(yè)中未能廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)電解水制氫催化劑是貴金屬鉑、銥等材料，該類(lèi)材料資源稀缺，且在大電流制氫工況下穩(wěn)定性差，限制了其實(shí)際使用?；诖?，研究學(xué)者們通過(guò)減少貴金屬用量和開(kāi)發(fā)非貴金屬材料體系來(lái)替換商業(yè)使用的貴金屬催化劑，以滿(mǎn)足規(guī)?；褂靡蟆Ｈ欢?，目前開(kāi)發(fā)的眾多材料體系在大電流制氫條件下都未能達(dá)到滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的催化活性和穩(wěn)定性。
在大電流制氫條件下的析氫電極不僅要求催化位點(diǎn)的本征活性高，而且還要求電極機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)。通常用于基底與催化劑結(jié)合的常用粘結(jié)劑具有兩面性，粘結(jié)劑用量多可以增強(qiáng)基底與催化劑的結(jié)合，但會(huì)大量掩蓋催化位點(diǎn)，降低催化劑使用效率；粘結(jié)劑用量少則催化位點(diǎn)容易從基底脫落，導(dǎo)致電極穩(wěn)定性差。因此，開(kāi)發(fā)既能保證豐富催化活性位點(diǎn)的暴露，又能夯實(shí)基底與催化劑結(jié)合力的析氫電極，是當(dāng)前電解水制氫的一大挑戰(zhàn)，對(duì)推動(dòng)電解水制氫的工業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄團(tuán)隊(duì)與澳大利亞斯威本科技大學(xué)的孫成華教授合作，開(kāi)發(fā)出一種面向工業(yè)大電流密度的同源單體析氫電極，該電極以金屬基底為材料基礎(chǔ)，通過(guò)刻蝕部分金屬基底衍生制備高活性催化劑，同時(shí)基底與催化劑共價(jià)相連增強(qiáng)電極機(jī)械穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了大電流密度下的高效、穩(wěn)定析氫目標(biāo)。
該研究通過(guò)一種定向固相合成法從金屬基底衍生制備出大面積金屬性二維材料電催化劑，金屬基底與金屬性二維材料共價(jià)結(jié)合并構(gòu)建出一個(gè)近零電阻界面，該界面的電荷傳輸快、界面結(jié)合力強(qiáng)。第一性原理計(jì)算表明，金屬基底可向催化劑中有效注入大量電荷，優(yōu)化氫吸附自由能，提高催化活性；此外，能帶結(jié)構(gòu)圖解析結(jié)果顯示，金屬基底與金屬性二維材料均能在費(fèi)米能級(jí)處貢獻(xiàn)大量自由電子，這表明由金屬基底與金屬性二維材料組合的同源單體析氫電極展現(xiàn)出與金屬相同的電學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步的電學(xué)測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論。將該源單體析氫電極直接用于電解水析氫反應(yīng)，其在2000 mA cm-2的工業(yè)大電流密度下僅需398 mV的過(guò)電位，優(yōu)于大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果。此外，該析氫電極在大電流（200 -1000 mA cm-2）工況下持續(xù)200小時(shí)的析氫反應(yīng)后性能無(wú)衰減，表現(xiàn)出具備工業(yè)應(yīng)用條件的大電流析氫穩(wěn)定性。進(jìn)一步的研究表明，以該同源單體析氫電極為陰極、商業(yè)氧化銥為陽(yáng)極組裝在電解水器件中，其表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)鉑基析氫電極的電解水性能，僅在1.98 V的施加電壓下就實(shí)現(xiàn)了1000 mA cm-2的析氫電流密度，法拉第效率接近100%。該同源單體析氫電極制備成本低、催化性能高，在工業(yè)電解水制氫電極中具有規(guī)?；瘧?yīng)用前景。以上研究結(jié)果同時(shí)為構(gòu)建電解水制氫電極提供了新思路，相關(guān)策略有望進(jìn)一步拓展到其他應(yīng)用電極材料體系中。
圖1. 同源單體析氫電極結(jié)構(gòu)模型與物理化學(xué)性質(zhì)
圖2. 同源單體析氫電極合成示意圖和結(jié)構(gòu)表征
圖3. 同源單體析氫電極力學(xué)與電學(xué)性質(zhì)
圖4. 同源單體析氫電極大電流催化性能與對(duì)比
圖5. 同源單體析氫電極大面積制備及電解水性能
相關(guān)研究成果近期以“一種具有魯棒性和金屬性界面的Ta-TaS2同源單體催化劑用于大電流析氫”（A Ta-TaS2 monolith catalyst with robust and metallic interface for superior hydrogen evolution）為題在線(xiàn)發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。論文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院余強(qiáng)敏博士，通訊作者為劉碧錄副教授和孫成華教授。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院成會(huì)明教授、鄒小龍副教授、丁寶福博士、羅雨婷博士，博士研究生張致遠(yuǎn)、劉鶴鳴，碩士研究生楊豐寧、葛詩(shī)玉，以及東莞理工學(xué)院的邱思瑤博士、中科院金屬研究所的任文才研究員和劉志博博士。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳市科創(chuàng)委和發(fā)改委等支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26315-7
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：田姬熔
