清華-伯克利深圳學院二維材料廉價礦物電催化劑大電流產氫相關研究取得重要進展


清華新聞網7月29日電 7月24日,清華-伯克利深圳學院劉碧錄、成會明團隊在《自然·通訊》(NatureCommunications)期刊上在線發表了題為“大規模製備廉價礦物基二維材料大電流產氫電催化劑”(High-Throughput Production of Cheap Mineral-Based Two-Dimensional Electrocatalysts for High-Current-Density Hydrogen Evolution)的研究論文。該研究開發了一種大通量製備二維二硫化鉬(MoS2)漿液電催化劑的方法,所製備的二維二硫化鉬基電催化劑具有良好的電解水產氫活性,在1Acm-2的大電流密度下所需過電壓僅為412mV,並呈現出良好的穩定性。同時,該方法可以拓展至以低成本礦物自然資源為原料來製備電催化劑,是目前已報道製備速率最快、成本最低的方法之一。該工作對二維材料的工業應用以及低成本大儲量礦石等自然資源的高附加值應用開發具有較大指導意義。

大通量製備二硫化鉬基漿液型電催化劑的過程

當前,利用電解水方法制備氫氣是可再生能源轉化和可持續發展的有效策略之一。電解水制氫技術目前最大的問題是其高能耗與高成本。因此,開發和使用高效廉價電催化劑,是實現電解水產氫技術大規模工業應用的前提。鉑基催化劑是公認最有效的電解水產氫催化劑,然而鉑的低儲量導致成本高昂,限制了其大規模工業使用。近年來,開發高效和廉價的大電流產氫電催化劑以及其規模製備方法,成為發展工業化電解水產氫技術的重要研究方向。基於研究團隊前期對二維材料規模製備(National Science Review, 2020, 7, 324)及大電流密度電解水產氫催化劑設計(Nature Communications, 2019, 10, 269)的工作基礎,本文進一步提出了大通量、可放大規模化製備二維材料大電流產氫電催化劑的方法。所製備的二硫化鉬基電催化劑在驅動1000mAcm-2的電流密度時所需的過電壓僅為412mV(0.5 M H2SO4的酸性體系中)與440mV(1.0 M KOH的鹼性體系中)。

大電流密度下二維二硫化鉬電解水產氫性能

此外,該催化劑在大電流密度下具有良好的穩定性,表現出優異的電解水性能。為進一步驗證並推廣該製備策略,團隊採用低成本鉬礦自然資源為原料製備電催化劑,測試表明所製備的礦物基電催化劑具有良好的電催化性能以及放大生產能力,其中所用的鉬礦成本僅為鉑價格的十萬分之一,有望推動該低成本高性能電催化劑的工業化應用。研究顯示,該製備方法是目前最為高效的二維材料電催化劑製備方法,其製備速率優於已報道結果1~2個數量級,所得電催化劑是目前大電流密度下性能最佳的催化劑之一。以上研究結果對二維材料的產業化應用,以及低成本礦石自然資源的高附加值應用具有指導意義,相關策略還有望進一步拓展至其他材料及反應體系中。

以廉價鉬礦為原料製備的催化劑及其電解水產氫性能

該製備方法及所得催化劑的性能與現有催化劑的對比

論文共同第一作者為清華-伯克利深圳學院2017級碩士生張弛、2017級博士生羅雨婷,論文通訊作者為劉碧錄副教授,論文作者還包括2018級博士生譚雋陽、餘強敏博士、2018級碩士生楊豐寧、2018級博士生張致遠、楊柳思博士及成會明教授。該研究由國家自然科學基金委以及深圳市工信局、科創委和發改委等部門支持。

論文鏈接:

//www.nature.com/articles/s41467-020-17121-8

供稿:清華-伯克利深圳學院

編輯:曲田

2020年07月29日 16:13:55  清華新聞網

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