刘碧录团队及其合作者开发出镍（Ni）基高性能大电流产氢催化剂并阐明其催化机理

化石燃料的过度使用造成了严重的能源和环境问题。寻找化石燃料的替代能源、实现碳中和已成为当前全球社会的共同目标。氢能作为一种高能量密度的零碳排放能源，被认为是未来社会的理想能源之一。电解水是绿色制氢的重要技术，但由于其能耗较高、催化剂价格较高，该技术现阶段难以推广。因此，开发高性能、低成本的催化剂来降低制氢的电力消耗和设备成本是实现规模化制备绿色氢气的关键。

镍基催化剂具有催化活性高、电导率高、价格低廉等优点，在电解水制氢方面具有良好的应用前景。但其过电势大、大电流条件下功耗高等问题阻碍了镍基催化剂的实际工业应用。近日，清华大学深圳国际研究生院刘碧录与中科院上海高等研究院张硕研究员合作，开发出一种在大电流条件下性能优异的镍基催化剂（h-），结合原位光谱表征和理论计算阐明了其催化机理。

研究人员采用水热反应与高温热还原相结合的两步法制备了h-催化剂。首先，催化剂具有三维多孔结构，保证了催化剂在大电流条件下能够充分接触电解液。其次，结合原位X射线吸收光谱和准原位X射线光电子能谱，研究人员发现催化剂中的钼和铁显着调节了镍位点的电荷分布，提高了镍的价态。第三，催化剂的表面化学特性也发生变化。钼、铁改性的镍基催化剂表面具有高羟基化的特点。进一步的密度泛函理论计算表明，铁物质改变了镍位点的d带中心位置，优化了其氢吸附自由能。同时，碱性环境下析氢反应的水解离步骤也得到了优化。上述催化剂的微纳结构、活性位点的电荷分布、化学组成等因素赋予了h-优异的电解水析氢性能。

图1h-催化剂的合成和表征

图2 催化剂的X射线吸收光谱

图3 催化剂反应前后的X射线光电子能谱

图4 催化剂的原位X射线吸收光谱

图5 密度泛函理论计算

研究人员制备的h催化剂在1000 mA cm-2电流密度下的过电势仅为97 mV，优于大多数已知的电催化剂。此外，研究人员利用h-催化剂催化全水解反应，发现只需1.56 V的低电压即可达到500 mA cm-2的电流密度，并实现高电流密度下的长期稳定运行。该h催化剂的价格约为82 US$ m-2，与商业RANEY®镍催化剂的价格相近，但其性能远高于RANEY®镍催化剂，表现出良好的实用前景。研究成果为开发低成本水电解制氢催化剂提供了新思路。通过电荷控制提高催化剂性能的策略有望进一步扩展到其他材料和反应系统。

图6 催化剂大电流析氢性能

图7 催化剂大规模合成及全水分解反应

相关研究成果近日在线发表在《能源与环境科学》（&）杂志上，标题为《稳定的氢氧化物控制的镍基催化剂用于碱性高电流制氢》（--Based for High-- in Media）优越的。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和中科院上海高等研究院张硕研究员。第一作者为罗玉婷，博士。清华大学深圳国际研究生院博士（现为加拿大多伦多大学博士后），深圳国际研究生院博士生。张志远为共同第一作者。该论文的作者还包括深圳国际研究生院杨凤宁硕士（现为英国牛津大学博士生）、中国科学院上海高等研究院李炯研究员、中国科学院上海高等研究院任文才研究员等。中国科学院金属研究所，刘志波博士。该研究得到了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、国家发改委、工业和信息化局等单位的支持。

论文信息：

罗、张等人，《媒体基础上的高》，2021, 14 (8), 4610-4619。

论文链接：

文/图：张志远

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