刘碧录团队开发出面向工业大电流密度的电解水析氢电极

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人类对化石能源的过渡开发和使用引起了一系列环境污染问题，利用可再生能源与电解水技术整合制备零碳排放的绿氢，对改善人居环境、实现碳中和具有重要意义。在众多电解水制氢技术中，质子交换膜电解水技术的制氢电流密度高达2000 mA cm-2，然而该技术面临电极稳定性差、能量转换效率低、制氢成本高等问题，在工业中未能广泛应用。传统电解水制氢催化剂是贵金属铂、铱等材料，该类材料资源稀缺，且在大电流制氢工况下稳定性差，限制了其实际使用。基于此，研究学者们通过减少贵金属用量和开发非贵金属材料体系来替换商业使用的贵金属催化剂，以满足规模化使用要求。然而，目前开发的众多材料体系在大电流制氢条件下都未能达到满足工业应用的催化活性和稳定性。

       在大电流制氢条件下的析氢电极不仅要求催化位点的本征活性高，而且还要求电极机械稳定性强。通常用于基底与催化剂结合的常用粘结剂具有两面性，粘结剂用量多可以增强基底与催化剂的结合，但会大量掩盖催化位点，降低催化剂使用效率；粘结剂用量少则催化位点容易从基底脱落，导致电极稳定性差。因此，开发既能保证丰富催化活性位点的暴露，又能夯实基底与催化剂结合力的析氢电极，是当前电解水制氢的一大挑战，对推动电解水制氢的工业化应用具有重要意义。近日，清华大学深圳国际研究生院刘碧录团队与澳大利亚斯威本科技大学的孙成华教授合作，开发出一种面向工业大电流密度的同源单体析氢电极，该电极以金属基底为材料基础，通过刻蚀部分金属基底衍生制备高活性催化剂，同时基底与催化剂共价相连增强电极机械稳定性，实现了大电流密度下的高效、稳定析氢目标。
       该研究通过一种定向固相合成法从金属基底衍生制备出大面积金属性二维材料电催化剂，金属基底与金属性二维材料共价结合并构建出一个近零电阻界面，该界面的电荷传输快、界面结合力强。第一性原理计算表明，金属基底可向催化剂中有效注入大量电荷，优化氢吸附自由能，提高催化活性；此外，能带结构图解析结果显示，金属基底与金属性二维材料均能在费米能级处贡献大量自由电子，这表明由金属基底与金属性二维材料组合的同源单体析氢电极展现出与金属相同的电学性质，进一步的电学测试结果也验证了这一结论。将该源单体析氢电极直接用于电解水析氢反应，其在2000 mA cm-2的工业大电流密度下仅需398 mV的过电位，优于大多数文献报道结果。此外，该析氢电极在大电流（200 -1000 mA cm-2）工况下持续200 h的析氢反应后性能无衰减，表现出具备工业应用条件的大电流析氢稳定性。进一步地，以该同源单体析氢电极为阴极、商业氧化铱为阳极组装在电解水器件中，其表现出优于商业铂基析氢电极的电解水性能，仅在1.98 V的施加电压下就实现了1000 mA cm-2的析氢电流密度，法拉第效率接近100%。该同源单体析氢电极制备成本低、催化性能高，在工业电解水制氢电极中具有规模化应用前景。以上研究结果同时为构建电解水制氢电极提供了新思路，相关策略有望进一步拓展到其他应用电极材料体系中。

       相关研究成果近期以《一种具有鲁棒性和金属性界面的Ta-TaS2同源单体催化剂用于大电流析氢》（A Ta-TaS2 monolith catalyst with robust and metallic interface for superior hydrogen evolution）为题在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院余强敏博士，通讯作者为刘碧录副教授和孙成华教授。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院成会明教授、邹小龙副教授、丁宝福博士、罗雨婷博士，博士研究生张致远、刘鹤鸣，硕士研究生杨丰宁、葛诗玉，以及东莞理工学院的邱思瑶博士、中科院金属研究所的任文才研究员和刘志博博士。该研究得到了国家自然科学基金委、广东省创新创业团队项目、深圳市科创委和发改委等支持。
       论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26315-7


        文章来源：清华大学
      刘碧录 ，清华大学-伯克利深圳学院特别研究员、博士生导师。2006年本科毕业于中国科技大学材料化学专业， 2012年获中科院金属研究所材料学博士学位。2012年5月至2016年5月，在美国南加州大学电子工程系从事博士后研究，后任研究助理教授，自2016年6月起加入清华大学-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室。刘碧录教授的主要研究方向是碳纳米管、二维材料等低维半导体材料的生长机理、可控制备及器件应用。共发表学术论文60余篇，论文被引用8000余次，H因子为40。获得国家基金委优秀青年科学基金（2017年）、“中国科学院院长特别奖”等荣誉与奖励。