基于缺陷调控设计的自支撑高效催化析氢电极

氢是一种高效的新型清洁能源载体。但要实现氢能的大规模使用,首先需要解决的一个瓶颈问题是如何高效制取氢气。与煤、石油和天然气等化石燃料重整制氢相比,电解水制氢产物纯度高,过程环保且可再生,但缺点是电能消耗较高。为了降低电解水制氢的能耗,通常需要使用贵金属(如Pt、 Pd)作为析氢催化电极,但由于这些催化材料成本高昂且储量稀少,大大制约了其实际应用。因此,开发低成本且资源丰富的高效催化析氢材料成为当前的研究重点和挑战。

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为了解决这些问题,清华大学材料学院吕瑞涛研究组设计并成功制备出一种具有自支撑结构的“WS2/WO2.9/C”复合薄膜用作高性能的电催化析氢电极。研究人员采用简单的旋涂和热处理工艺,在石墨纸上制备了这种薄膜材料,该复合薄膜由镶嵌在导电碳基底中的WS2纳米片和WO2.9纳米线复合而成。镶嵌结构使得具有催化活性的WS2纳米片边缘位暴露在薄膜表面,并且降低了接触电阻。由于在热处理工艺中引入了微量氧气,因此形成了具有金属性的WO2.9纳米线,而且WS2/WO2.9的异质结进一步增强了导电性。此外,WS2片层中心的基面形成了硫空位,大大提升了催化活性,而且WO2.9也具有一定的催化活性。由于WS2和WO2.9的协同作用,WS2/WO2.9/C复合薄膜具有优异的析氢催化活性:析氢过电位达到20 mV,Tafel斜率达到36 mV/dec,已经非常接近于Pt/C电极的性能。另外,该复合薄膜具有优异的循环稳定性(经过10000次循环,性能没有明显下降)。相比于目前大部分研究制备的粉末材料,该柔性自支撑薄膜可以直接作为催化析氢电极,避免了使用高分子粘结剂导致的界面电阻,对于高效催化析氢电极的开发具有重要的意义。

该工作由清华大学和美国宾夕法尼亚州立大学合作开展,相关结果近期发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201603617),第一作者为清华大学材料学院硕士生王旭阳,通讯作者为清华大学材料学院助理教授吕瑞涛博士,美国宾夕法尼亚州立大学物理系Mauricio Terrones教授为该论文共同通讯作者。