刘碧录团队开发直接电解盐水制氢的高效稳定新型催化剂

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环境问题和能源危机促使全球进入能源结构优化和转型阶段，人们对可再生能源技术提出了更高的要求。氢能是目前质量能量密度最高（是汽油的三倍）的可再生能源，电解水制氢是实现绿色氢能源战略的重要技术，但是由于该技术成本不具竞争力，较难广泛应用。因此，进一步降低该技术的成本是实现清洁制氢的关键。目前，提高催化剂效率，延长催化剂使用寿命，可以减少电能消耗和频繁更换催化剂的成本。同时，使用低品质水，如海水、盐水等，可以进一步降低电解水的原料成本。因此，设计和开发一种高效稳定的盐水电解析氢催化剂具有重要意义。

Pt/Ni-Mo催化剂设计原理和及其催化性能

        近日，清华-伯克利深圳学院刘碧录团队与中国科学院上海高等研究院李炯团队合作，通过两步法制备出Pt纳米颗粒高分散在高比表面积的Mo-Ni基底上的析氢催化剂（Pt/Ni-Mo），仅需42 mV和113mV的过电势，即可分别在1M KOH和盐水（1M KOH+0.5 M NaCl）中达到2000 mA cm-2的电流密度，并能够实现大面积生长和膜电极应用，为电解水制氢技术的理论研究和实际应用提供了帮助。
       该材料铂纳米颗粒高分散在具有丰富纳米结构的Ni-Mo混合物的表面（Pt/Ni-Mo），并对该材料进行了详细表征。该Ni-Mo混合物骨架提供了超高的比表面积和优异的亲水性，有利于反应物及生成物的转移和传输，而纳米尺寸的铂颗粒则提供了优异的本征活性。Pt/Ni-Mo催化剂从多维度协同共同实现了截至目前报道过的最佳性能。

Pt/Ni-Mo材料合成与表征

Pt/Ni-Mo的独特结构和组成通过提升物质传输与电荷传输进而增强析氢反应性能

        解决在工业条件下或在低品质水中的催化剂寿命问题，对于电解水制氢的实际应用有重要意义。因此，该研究进一步探究了Pt/Ni-Mo催化剂在模拟海水和工业条件下的高活性和长时间的稳定性。该催化剂不仅在碱性溶液下能稳定运行超过140小时，在盐水（1M KOH+0.5 M NaCl）中仅需113mV的过电势就可达到2000 mA cm-2的电流密度，并稳定运行超过24小时。同时，能够在80摄氏度的温度下的强碱溶液（6M KOH）中实现长时间的稳定性。

Pt/Ni-Mo催化剂在多种条件下的稳定性测试

大面积制备和商业制氢机中的应用

        该研究还探索了催化剂的大面积合成，可以实现700 cm2的大面积制备。并替换制氢机膜电极中的商用催化剂，实现了性能的超越，从而证明了该催化剂具有巨大的应用潜力。
        相关论文以“可在大电流下用盐水电解制氢的高效稳定催化剂”（A durable and efficient electrocatalyst for saline water splitting with current density exceeding 2000 mA cm−2）为题在线发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。本文通讯作者为清华-伯克利深圳学院刘碧录副教授和中国科学院上海高等研究院李炯研究员，第一作者为清华-伯克利深圳学院硕士研究生杨丰宁，共同一作为清华-伯克利深圳学院罗雨婷博士。
        原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010367


          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。