電解水制氫電極材料研發(fā)獲突破

文/仲 科

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏研究組開發(fā)出一步法合成技術(shù)，實現(xiàn)了二硒化鈷和二硫化鉬材料的化學(xué)嫁接，研制出析氫性能接近貴金屬鉑的水還原高效復(fù)合催化劑，而且穩(wěn)定性優(yōu)異，有望取代鉑成為新一代廉價的氫電極材料。

將可再生能源（如太陽能、風(fēng)能、水位能等）以氫為媒介存儲、運輸和轉(zhuǎn)化可實現(xiàn)環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟構(gòu)型。當前95%以上的氫氣來自于化石燃料，而水作為氫的重要來源之一，從其提取出來的氫的總能量是地球化石燃料熱量的9000倍。

將水電解制氫涉及兩個重要的基本反應(yīng)，即陰極水的還原和陽極水的氧化。然而，反應(yīng)動力學(xué)的限制要求提供高于理論分解電壓的過電壓來加速兩極反應(yīng)，導(dǎo)致電能損失嚴重。一些貴金屬如鉑、氧化釕、氧化銣等能有效地降低反應(yīng)活化能壘，提升反應(yīng)速率，但是昂貴的價格限制其在電解水工業(yè)中的規(guī)?；褂谩?/p>

該研究組運用一步法所制備的二硒化鈷/二硫化鉬復(fù)合催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的水還原催化活性，在0.5M H2SO4電解質(zhì)中交換電流密度達到7.3×10-2mA /cm2。研究發(fā)現(xiàn)，此兩種材料的復(fù)合在界面處形成了新的鈷-硫化學(xué)鍵。一方面，鈷與硫的配位能夠降低其對氫的吉布斯吸附自由能，從而增強其活性邊位點對氫中間產(chǎn)物的吸附，增強其反應(yīng)動力學(xué)；另一方面，硫與鈷的相互作用也帶來電催化協(xié)同效應(yīng)，使原本具有一定水還原性能的二硒化鈷的活性進一步增強。