刘碧录团队发文综述大电流密度电解水催化剂的设计策略和应用展望

nice007

“绿氢”是指由可再生能源以清洁的方式制得的氢气，其具有制备过程绿色可持续、使用过程无污染、氢气自身能量密度高等优点。以电解水的方法生产绿氢是应对全球范围能源危机，实现碳中和目标的重要途径之一。值得指出的是，工业条件下的电解水需在大电流密度下进行（High current density, HCD, 一般来说 > 200 mA cm-2），例如欧盟燃料电池与氢能企业联盟（FCH JU）提出质子交换膜反应器的目标电流密度将在2030年达到2500 mA cm−2以上。因此设计、获得在大电流密度下性能优异的电催化剂对电解水制氢技术的推广具有重要意义，这也是电解制氢领域的重要难题。
近期，清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授与剑桥大学曼尼什·乔瓦拉（Manish Chhowalla）教授合作发表综述论文，总结了设计大电流密度电催化剂需考虑的催化材料方面的主要因素，提出了全面考虑多重影响因素的多尺度设计策略，并指出了此领域未来的发展方向。

图1：以大电流密度电解水制氢技术为基础的可持续发展构想

工业条件下，为达到高生产效率，水电解常在HCD下进行。大电流与小电流电解水过程主要有两点区别：一是达到HCD所需的偏压更高，这将引起更为严重的极化现象；二是HCD的电化学反应更为剧烈，将以更高的速率消耗反应物和生成产物。此外，分别发生在阴极和阳极的氢析出及氧析出反应会在重构、传质、局域pH、微环境等方面受到不同程度的影响。以上因素均会影响HCD催化过程所需的过电位及催化剂的稳定性。
基于以上对HCD条件下电解水制氢特殊之处的认知，文章考察了在设计HCD催化剂时需要考虑的五个方面，包括催化剂的尺寸效应、表面化学、形貌、电荷传输路径及与电解液间的相互影响：
第一，催化剂的尺寸效应主要体现在对材料的比表面积、电荷传输路径的影响，调控催化尺寸的目标是促进电荷传输及传质过程；
第二，表面化学主要影响传质过程及催化剂与中间产物间的成键强度，可通过构建掺杂、合金、空位、异质结等界面工程策略进行调控；
第三，催化剂微观尺度的结构会影响其表面暴露的活性位点数与传质过程，可以通过改变催化剂单体的尺寸、构建合适的通道以及调控活性位点的暴露程度进行调节；
第四，电荷传输路径会直接作用于电子传输的速率和模式，催化剂的电导率、界面电阻等因素均会对此产生影响；
第五，催化剂与电解液间的相互影响主要作用于传质、催化剂与反应物或中间体的成键键能，调控的主要途径包括改变内亥姆霍兹层内界面水、pH或反应物的表面吸附。
值得指出的是，由于以上五个方面是相互作用的，因此获得高性能HCD催化剂，必须采用多尺度设计策略，同时考虑以上多个因素。

图2：HCD电解水相关重要影响因素

图3：大电流密度催化剂设计所需考虑的五个主要方面

         最后，基于目前HCD催化剂性能仍与目标值有较大差距的现状，文章对于该领域未来的发展方向进行了展望，包括对HCD条件下电化学界面的深入研究、对多尺度设计策略的进一步深化与发展、对适应工业条件的催化剂性能评价标准的建立、对HCD催化剂经济性的考量等几个方面。
       该综述近期以“大电流密度水分解电催化剂设计的最新进展”（Recent Advances in Design of Electrocatalysts for High-Current-Density Water Splitting）为题在线发表于《先进材料》（Advanced Material）期刊。本文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授与剑桥大学曼尼什·乔瓦拉（Manish Chhowalla）教授，第一作者为清华大学深圳国际研究生院博士罗雨婷（现为加拿大多伦多大学博士后），第二作者为清华大学深圳国际研究生院博士生张致远。该项工作得到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、发改委、工信局等单位的支持。
       论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108133
            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。