刘碧录、成会明团队：二维材料廉价矿物电催化剂大电流产氢相关研究

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7月24日，清华-伯克利深圳学院刘碧录、成会明团队在《自然·通讯》（NatureCommunications）期刊上在线发表了题为“大规模制备廉价矿物基二维材料大电流产氢电催化剂”（High-Throughput Production of Cheap Mineral-Based Two-Dimensional Electrocatalysts for High-Current-Density Hydrogen Evolution）的研究论文。该研究开发了一种大通量制备二维二硫化钼（MoS2）浆液电催化剂的方法，所制备的二维二硫化钼基电催化剂具有良好的电解水产氢活性，在1Acm-2的大电流密度下所需过电压仅为412mV，并呈现出良好的稳定性。同时，该方法可以拓展至以低成本矿物自然资源为原料来制备电催化剂，是目前已报道制备速率最快、成本最低的方法之一。该工作对二维材料的工业应用以及低成本大储量矿石等自然资源的高附加值应用开发具有较大指导意义。

大通量制备二硫化钼基浆液型电催化剂的过程

       当前，利用电解水方法制备氢气是可再生能源转化和可持续发展的有效策略之一。电解水制氢技术目前最大的问题是其高能耗与高成本。因此，开发和使用高效廉价电催化剂，是实现电解水产氢技术大规模工业应用的前提。铂基催化剂是公认最有效的电解水产氢催化剂，然而铂的低储量导致成本高昂，限制了其大规模工业使用。近年来，开发高效和廉价的大电流产氢电催化剂以及其规模制备方法，成为发展工业化电解水产氢技术的重要研究方向。基于研究团队前期对二维材料规模制备(National Science Review, 2020, 7, 324)及大电流密度电解水产氢催化剂设计(Nature Communications, 2019, 10, 269)的工作基础，本文进一步提出了大通量、可放大规模化制备二维材料大电流产氢电催化剂的方法。所制备的二硫化钼基电催化剂在驱动1000mAcm-2的电流密度时所需的过电压仅为412mV（0.5 M H2SO4的酸性体系中）与440mV（1.0 M KOH的碱性体系中）。

大电流密度下二维二硫化钼电解水产氢性能

        此外，该催化剂在大电流密度下具有良好的稳定性，表现出优异的电解水性能。为进一步验证并推广该制备策略，团队采用低成本钼矿自然资源为原料制备电催化剂，测试表明所制备的矿物基电催化剂具有良好的电催化性能以及放大生产能力，其中所用的钼矿成本仅为铂价格的十万分之一，有望推动该低成本高性能电催化剂的工业化应用。研究显示，该制备方法是目前最为高效的二维材料电催化剂制备方法，其制备速率优于已报道结果1~2个数量级，所得电催化剂是目前大电流密度下性能最佳的催化剂之一。以上研究结果对二维材料的产业化应用，以及低成本矿石自然资源的高附加值应用具有指导意义，相关策略还有望进一步拓展至其他材料及反应体系中。

以廉价钼矿为原料制备的催化剂及其电解水产氢性能

该制备方法及所得催化剂的性能与现有催化剂的对比

        论文共同第一作者为清华-伯克利深圳学院2017级硕士生张弛、2017级博士生罗雨婷，论文通讯作者为刘碧录副教授，论文作者还包括2018级博士生谭隽阳、余强敏博士、2018级硕士生杨丰宁、2018级博士生张致远、杨柳思博士及成会明教授。该研究由国家自然科学基金委以及深圳市工信局、科创委和发改委等部门支持。


       论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17121-8

供稿：清华-伯克利深圳学院

编辑：曲田

      

       文章来源：清华大学
       刘碧录，清华大学-伯克利深圳学院特别研究员、博士生导师。2006年本科毕业于中国科技大学材料化学专业， 2012年获中科院金属研究所材料学博士学位。2012年5月至2016年5月，在美国南加州大学电子工程系从事博士后研究，后任研究助理教授，自2016年6月起加入清华大学-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室。刘碧录教授的主要研究方向是碳纳米管、二维材料等低维半导体材料的生长机理、可控制备及器件应用。共发表学术论文60余篇，论文被引用8000余次，H因子为40。获得国家基金委优秀青年科学基金（2017年）、“中国科学院院长特别奖”等荣誉与奖励。
       成会明，炭材料科学家。中国科学院金属研究所研究员。1963年10月生于四川省巴中市，籍贯四川省蓬安县。1984年毕业于湖南大学化工系，1987年、1992年在中科院金属研究所获硕士和博士学位。主要从事先进炭材料的研究。提出了浮动催化剂化学气相沉积、非金属催化剂化学气相沉积制备碳纳米管等方法，促进了碳纳米管的研究与应用。提出了模板导向化学气相沉积等方法，制备出石墨烯三维网络结构材料、毫米级单晶石墨烯，发展了石墨烯材料的宏量制备技术。提出了可高效储能的层次孔材料设计和电化学电位调控的思路，制备出一系列新型能量转化与储存材料。研制出块体各向同性热解石墨材料，批量应用于多项重点工程。曾获国家自然科学二等奖、国防科技进步二等奖、何梁何利科学与技术进步奖、美国碳学会Charles E. Pettinos奖等。