清華新聞網(wǎng)12月21日電 “綠氫”是指由可再生能源以清潔的方式制得的氫氣，具有制備過(guò)程綠色可持續(xù)、使用過(guò)程無(wú)污染、氫氣自身能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。以電解水的方法生產(chǎn)綠氫是應(yīng)對(duì)全球范圍能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑之一。
圖1：以大電流密度電解水制氫技術(shù)為基礎(chǔ)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)想
值得注意的是，工業(yè)條件下的電解水需在大電流密度（HCD，High current density， 一般來(lái)說(shuō)>200 mA cm-2）下進(jìn)行，例如歐盟燃料電池與氫能企業(yè)聯(lián)盟（FCH JU）提出質(zhì)子交換膜反應(yīng)器的目標(biāo)電流密度將在2030年達(dá)到2500 mA cm?2以上。因此設(shè)計(jì)、獲得在大電流密度下性能優(yōu)異的電催化劑對(duì)電解水制氫技術(shù)的推廣具有重要意義，這也是電解制氫領(lǐng)域的重要難題。
近期，深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授與劍橋大學(xué)曼尼什·喬瓦拉（Manish Chhowalla）教授合作發(fā)表綜述論文，總結(jié)了設(shè)計(jì)大電流密度電催化劑需考慮的催化材料方面的主要因素，提出了全面考慮多重影響因素的多尺度設(shè)計(jì)策略，并指出了此領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。
圖2：HCD電解水相關(guān)重要影響因素
工業(yè)條件下，為達(dá)到高生產(chǎn)效率，水電解常在HCD下進(jìn)行。大電流與小電流電解水過(guò)程主要有兩點(diǎn)區(qū)別：一是達(dá)到HCD所需的偏壓更高，這將引起更為嚴(yán)重的極化現(xiàn)象；二是HCD的電化學(xué)反應(yīng)更為劇烈，將以更高的速率消耗反應(yīng)物和生成產(chǎn)物。此外，分別發(fā)生在陰極和陽(yáng)極的氫析出及氧析出反應(yīng)會(huì)在重構(gòu)、傳質(zhì)、局域pH、微環(huán)境等方面受到不同程度的影響。以上因素均會(huì)影響HCD催化過(guò)程所需的過(guò)電位及催化劑的穩(wěn)定性。
圖3：大電流密度催化劑設(shè)計(jì)所需考慮的五個(gè)主要方面
基于以上對(duì)HCD條件下電解水制氫特殊之處的認(rèn)知，文章考察了在設(shè)計(jì)HCD催化劑時(shí)需要考慮的五個(gè)方面，包括催化劑的尺寸效應(yīng)、表面化學(xué)、形貌、電荷傳輸路徑及與電解液間的相互影響：
第一，催化劑的尺寸效應(yīng)主要體現(xiàn)在對(duì)材料的比表面積、電荷傳輸路徑的影響，調(diào)控催化尺寸是為了促進(jìn)電荷傳輸及傳質(zhì)過(guò)程；
第二，表面化學(xué)主要影響傳質(zhì)過(guò)程及催化劑與中間產(chǎn)物間的成鍵強(qiáng)度，可通過(guò)構(gòu)建摻雜、合金、空位、異質(zhì)結(jié)等界面工程策略進(jìn)行調(diào)控；
第三，催化劑微觀(guān)尺度的結(jié)構(gòu)會(huì)影響其表面暴露的活性位點(diǎn)數(shù)與傳質(zhì)過(guò)程，可以通過(guò)改變催化劑單體的尺寸、構(gòu)建合適的通道以及調(diào)控活性位點(diǎn)的暴露程度進(jìn)行調(diào)節(jié)；
第四，電荷傳輸路徑會(huì)直接作用于電子傳輸?shù)乃俾屎湍Ｊ剑呋瘎┑碾妼?dǎo)率、界面電阻等因素均會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響；
第五，催化劑與電解液間的相互影響主要作用于傳質(zhì)、催化劑與反應(yīng)物或中間體的成鍵鍵能，調(diào)控的主要途徑包括改變內(nèi)亥姆霍茲層內(nèi)界面水、pH或反應(yīng)物的表面吸附。
需要注意的是，由于以上五個(gè)方面是相互作用的，因此獲得高性能HCD催化劑，必須采用多尺度設(shè)計(jì)策略，同時(shí)考慮以上多個(gè)因素。
最后，基于目前HCD催化劑性能仍與目標(biāo)值有較大差距的現(xiàn)狀，文章對(duì)于該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，包括對(duì)HCD條件下電化學(xué)界面的深入研究、對(duì)多尺度設(shè)計(jì)策略的進(jìn)一步深化與發(fā)展、對(duì)適應(yīng)工業(yè)條件的催化劑性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立、對(duì)HCD催化劑經(jīng)濟(jì)性的考量等幾個(gè)方面。
該綜述近期以“大電流密度水分解電催化劑設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展”（Recent Advances in Design of Electrocatalysts for High-Current-Density Water Splitting）為題在線(xiàn)發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Material）期刊。本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授與劍橋大學(xué)曼尼什·喬瓦拉（Manish Chhowalla）教授，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）。該項(xiàng)工作得到國(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://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108133
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：覃霞
審核：呂婷
