清華新聞網(wǎng)4月6日電 氫是一種能量密度高、零碳排放的綠色可持續(xù)能量載體，是未來(lái)可持續(xù)清潔能源體系中不可或缺的一部分。當(dāng)前，氫氣制備方法主要包括化石燃料的高溫裂解（灰氫制備）和天然氣重整（藍(lán)氫制備）。雖然氫氣本身是清潔的，但以上方法在制氫過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放，不利于可持續(xù)發(fā)展。與之相反，利用可再生能源與電解水制氫技術(shù)相整合生產(chǎn)“綠氫”可實(shí)現(xiàn)零碳排放，對(duì)于碳中和戰(zhàn)略至關(guān)重要。電解水制氫技術(shù)中，具有較高電流密度和能量轉(zhuǎn)換效率的酸性電解水技術(shù)倍受青睞，但其發(fā)展受到析氧電極活性差、穩(wěn)定性弱的制約。與兩電子析氫反應(yīng)相比，四電子析氧反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)緩慢，對(duì)析氧催化劑的本征活性提出了更高要求。大多數(shù)報(bào)道的催化劑僅在低電流密度（< 200 mA cm-2）下性能優(yōu)異，難以達(dá)到高電流密度（> 200 mA cm-2）的工業(yè)使用需求。此外，在強(qiáng)氧化電位和酸性腐蝕性環(huán)境中，催化劑易從電極上溶解和脫落，導(dǎo)致其活性和穩(wěn)定性顯著降低，限制了其長(zhǎng)期使用。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)大電流密度以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性的優(yōu)異催化劑對(duì)電解水制氫技術(shù)的大規(guī)模推廣至關(guān)重要。
近期，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表綜述，討論了酸性析氧催化劑的最新進(jìn)展，包括本征活性、大電流密度反應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并提出了設(shè)計(jì)高性能催化劑的策略，探討了其在質(zhì)子交換膜電解水器件中的實(shí)用前景。
圖1.影響酸性析氧催化劑性能的三個(gè)重要方面：催化劑本征活性、大電流密度反應(yīng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性
首先，催化劑的本征活性是決定電極性能的重要因素，本綜述強(qiáng)調(diào)了通過(guò)表面化學(xué)調(diào)控（包括雜原子摻雜、空位調(diào)控、合金化、核殼結(jié)構(gòu)和應(yīng)力調(diào)控）、非晶態(tài)調(diào)控和協(xié)同工程等策略改變催化劑的電子結(jié)構(gòu)、優(yōu)化中間體的結(jié)合能，進(jìn)而提升其本征活性。其次，大電流密度電解水反應(yīng)對(duì)活性中心的暴露、傳質(zhì)、電子轉(zhuǎn)移和電極的穩(wěn)定性等提出了更高的要求。本綜述提出通過(guò)構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)和引入催化劑載體來(lái)實(shí)現(xiàn)大電流密度制氫。此外，綜述強(qiáng)調(diào)了通過(guò)保護(hù)活性中心和加強(qiáng)催化劑與載體的相互作用來(lái)提高催化劑的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。
圖2.酸性析氧催化劑本征活性提升策略：表面化學(xué)調(diào)控
最后，文章對(duì)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)方向進(jìn)行了展望，主要包括借助理論計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行電催化劑的設(shè)計(jì)和合成，通過(guò)可視化的原位成像和光譜表征厘清工作狀態(tài)下催化劑的活性中心，通過(guò)多方面策略制備可實(shí)現(xiàn)大電流密度反應(yīng)且長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)異催化劑，以及質(zhì)子交換膜電解水器件的工業(yè)應(yīng)用等。
圖3.酸性析氧催化劑的發(fā)展前景
該綜述近期以《低維酸性析氧電催化劑的研究進(jìn)展：高本征活性、高電流密度和優(yōu)異穩(wěn)定性》（Low-Dimensional Electrocatalysts for AcidicOxygen Evolution: Intrinsic Activity, High Current Density Operation, and Long-Term Stability）為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。論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和余強(qiáng)敏博士，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)博士生胡書(shū)萁。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)碩士生葛詩(shī)玉、2019級(jí)博士生劉鶴鳴、2020級(jí)博士生康馨。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、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目、深圳市科創(chuàng)委等單位的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202201726
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：曲田
