清華新聞網(wǎng)11月5日電 化石燃料的過(guò)度使用引發(fā)了嚴(yán)重的能源和環(huán)境問(wèn)題，尋求化石燃料的替代能源、實(shí)現(xiàn)碳中和成為當(dāng)前全球社會(huì)的共同目標(biāo)。氫能作為一種具有高能量密度的零碳排放能源，被認(rèn)為是未來(lái)社會(huì)的理想能源之一。電解水是綠色制氫的重要技術(shù)，但由于其能耗大、催化劑價(jià)格高等原因，現(xiàn)階段該技術(shù)較難推廣。因此，開(kāi)發(fā)高性能、低成本的催化劑，從而降低制氫的電能消耗和設(shè)備成本，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備綠氫的關(guān)鍵。
鎳基催化劑具有高催化活性、高導(dǎo)電性和低價(jià)格等優(yōu)勢(shì)，在電解水制氫中具有良好的應(yīng)用前景。但其在大電流條件下的過(guò)電位較大、電耗高，阻礙了鎳基催化劑的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。近期，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授與中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院張碩研究員合作，開(kāi)發(fā)出一種在大電流條件下性能優(yōu)異的鎳基催化劑（h-NiMoFe），并結(jié)合原位光譜表征和理論計(jì)算闡明了其催化機(jī)理。
研究人員采用水熱反應(yīng)結(jié)合高溫?zé)徇€原的兩步法制備出h-NiMoFe催化劑。首先，該催化劑具有三維多孔結(jié)構(gòu)，保證了催化劑在大電流條件下能夠與電解液充分接觸。其次，結(jié)合原位X-射線(xiàn)吸收譜和準(zhǔn)原位X-射線(xiàn)光電子能譜，研究人員發(fā)現(xiàn)催化劑中的鉬和鐵顯著調(diào)控了鎳位點(diǎn)的電荷分布，提高了鎳的價(jià)態(tài)。第三，催化劑的表面化學(xué)特征也發(fā)生改變，被鉬和鐵修飾同時(shí)的鎳基催化劑表面具有高羥基化的特征。進(jìn)一步的密度泛函理論計(jì)算表明，鐵物種改變了鎳位點(diǎn)的d-帶中心位置，優(yōu)化了其氫吸附自由能。同時(shí)，堿性環(huán)境下氫析出反應(yīng)的水解離步驟也得到優(yōu)化，以上催化劑微納結(jié)構(gòu)、活性位點(diǎn)的電荷分布和化學(xué)組分等因素綜合起來(lái)，使h-NiMoFe具有優(yōu)異的電解水氫析出性能。
h-NiMoFe催化劑的合成與表征
催化劑的X-射線(xiàn)吸收譜
催化劑反應(yīng)前后的X-射線(xiàn)光電子能譜
催化劑的原位X-射線(xiàn)吸收譜
密度泛函理論計(jì)算
研究人員制備出的h-NiMoFe催化劑在1000mA cm-2電流密度下的過(guò)電位僅為97mV，該性能優(yōu)于大多數(shù)已知的電催化劑。此外，研究人員利用h-NiMoFe催化劑催化全水解反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)僅需1.56V的低電壓，即可達(dá)到500mA cm-2的電流密度，并實(shí)現(xiàn)了大電流密度下的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。該h-NiMoFe催化劑的價(jià)格約為82US$ m-2，與商業(yè)化的RANEY?鎳催化劑價(jià)格相近，但其性能遠(yuǎn)高于RANEY?鎳催化劑，表現(xiàn)出良好的實(shí)用前景。該研究結(jié)果對(duì)開(kāi)發(fā)低成本電解水產(chǎn)氫催化劑提供了新思路，其中通過(guò)電荷調(diào)控提升催化劑性能的策略有望進(jìn)一步拓展到其他材料和反應(yīng)體系中。
催化劑的大電流析氫性能
催化劑的大規(guī)模合成與全解水反應(yīng)
相關(guān)研究成果近期以“穩(wěn)定氫氧化物調(diào)控的鎳基催化劑用于堿性大電流產(chǎn)氫”（Stabilized Hydroxide-Mediated Nickel-Based Electrocatalysts for High-Current-Density Hydrogen Evolution in Alkaline Media）為題在線(xiàn)發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）期刊上。本文通訊作者為劉碧錄和張碩，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院博士羅雨婷（現(xiàn)為加拿大多倫多大學(xué)博士后），深圳國(guó)際研究生院博士生張致遠(yuǎn)為共同第一作者。論文作者還包括深圳國(guó)際研究生院碩士楊豐寧（現(xiàn)為英國(guó)牛津大學(xué)博士生）、中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院李炯研究員、中科院金屬研究所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、發(fā)改委、工信局等單位的支持。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee01487k
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：陳曉艷
審核：田姬熔
