Advanced Functional Materials:盐水制氢——高效稳定的低铂催化剂直接电解盐水制氢

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有竞争力,很难广泛应用。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。

图1. Pt/Ni-Mo催化剂设计原理和及其催化性能。

清华大学清华-伯克利深圳学院刘碧录课题组和中国科学院上海高等研究院李炯研究员,通过两步法合成了一种新型纳米材料: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,有利于反应物和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超高的性能:仅需42 mV的过电势就可以在1M KOH中达到2000 mA cm-2的电流密度。这是目前报道的碱性HER反应中的最好性能。

图2. Pt/Ni-Mo材料合成与表征。

图3. 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

催化剂在工业条件下,或者更为苛刻的低品质或海中的寿命问题对于电解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,实现从未报道过的超高性能,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。

图4. 该催化剂在多种条件下的稳定性测试。

图5. 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。研究者相信,本研究的创新,可以激发材料科学、化学、能源和工程领域广大研究者的兴趣,并推动绿色氢能源的发展。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials上。

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。

论文信息:

A durable and efficient electrocatalyst for saline water splitting with current density exceeding 2000 mA cm−2

Fengning Yang, Dr. Yuting Luo, Dr. Qiangmin Yu, Zhiyuan Zhang, Prof. Shuo Zhang, Dr. Zhibo Liu, Prof. Wencai Ren, Prof. Hui-Ming Cheng, Prof. Jiong Li & Prof. Bilu Liu

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202010367