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    清华-伯克利深圳学院在二维材料电催化剂研究中取得新进展

    日期 2019-02-01   来源:工程与材料科学部   作者:陈克新 李亮  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(批准号:51722206)等资助下,清华-伯克利深圳学院刘碧录、邹小龙、成会明等通过设计和制备二维材料基模型电催化剂,揭示了电催化剂微观结构及表面化学对大电流密度电解水产氢的影响机理,并基于此实现了高性能二维材料异质结构电催化剂的制备。研究成果以“Morphology and Surface Chemistry Engineering for PH-Universal Catalysts toward Hydrogen Evolution at Large Current Density”(调控结构及表面化学制备pH普适大电流产氢电催化剂)为题,于2019年1月17日在Nature Communications(《自然·通讯》)上在线发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-07792-9。

      当前,化石能源的过度使用致使人类对环境和能源危机的焦虑日益加深,利用电解水方法制备氢气是实现可再生能源转化、进而解决能源与环境危机的一种有效策略。电解水制氢技术目前最大的问题是高能耗。因此,开发和使用高效电催化剂是近年来电解水方向基础研究和工业应用的重点和难点。铂基催化剂是公认最有效的电解水产氢催化剂,但铂的储量小、价格高,限制了其大规模工业使用。近年来,非贵金属催化剂的研究发展迅速,但该类催化的性能仍难与铂基催化剂媲美。除价格之外,从实际应用的角度来讲,电解水产氢技术的大规模应用亟需发展可在大电流密度下工作的电催化剂,如电流密度大于200-1000mA cm-2。目前,对大电流密度电解水产氢催化剂的设计和机理研究仍是一个重大挑战。

      通过优化催化剂结构和表面化学组成控制大电流密度下的传质过程,有望制备出在大电流密度下具有优异性能和稳定性的电催化剂。基于以上理解,研究人员制备出一种具有微纳结构且表面化学成分优化的MoS2/Mo2C异质结微球电催化剂。在酸性体系下,达到1000mAcm-2电流密度所需过电压仅为227mV;在碱性体系下,达到1000mAcm-2所需过电压仅为220mV,这些性能指标都优于铂基催化剂。进一步测试表明该催化剂具有良好的稳定性,表现出很好的实用前景。实验和理论计算揭示了电化学环境会对催化剂表面化学成分产生影响,进而使其在不同的pH条件下都具有优异的性能。以上研究结果对理解电催化分解水过程中的基础科学问题和高效电解水催化剂的设计具有重要指导意义和一定的普适性,该设计策略有望进一步拓展至其他材料体系和电催化反应中。

    图. 大电流密度电解水产氢催化剂设计策略:催化剂微观结构和表面化学组成协作




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