“綠氫”是指由可再生能源以清潔的方式制得的氫氣，其具有制備過程綠色可持續(xù)、使用過程無污染、氫氣自身能量密度高等優(yōu)點。以電解水的方法生產(chǎn)綠氫是應(yīng)對全球范圍能源危機，實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑之一。值得指出的是，工業(yè)條件下的電解水需在大電流密度下進(jìn)行（High current density, HCD, 一般來說 > 200 mA cm-2），例如歐盟燃料電池與氫能企業(yè)聯(lián)盟（FCH JU）提出質(zhì)子交換膜反應(yīng)器的目標(biāo)電流密度將在2030年達(dá)到2500 mA cm?2以上。因此設(shè)計、獲得在大電流密度下性能優(yōu)異的電催化劑對電解水制氫技術(shù)的推廣具有重要意義，這也是電解制氫領(lǐng)域的重要難題。
近期，清華大學(xué)深圳國際研究生院劉碧錄副教授與劍橋大學(xué)曼尼什·喬瓦拉（Manish Chhowalla）教授合作發(fā)表綜述論文，總結(jié)了設(shè)計大電流密度電催化劑需考慮的催化材料方面的主要因素，提出了全面考慮多重影響因素的多尺度設(shè)計策略，并指出了此領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。
圖1：以大電流密度電解水制氫技術(shù)為基礎(chǔ)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)想
工業(yè)條件下，為達(dá)到高生產(chǎn)效率，水電解常在HCD下進(jìn)行。大電流與小電流電解水過程主要有兩點區(qū)別：一是達(dá)到HCD所需的偏壓更高，這將引起更為嚴(yán)重的極化現(xiàn)象；二是HCD的電化學(xué)反應(yīng)更為劇烈，將以更高的速率消耗反應(yīng)物和生成產(chǎn)物。此外，分別發(fā)生在陰極和陽極的氫析出及氧析出反應(yīng)會在重構(gòu)、傳質(zhì)、局域pH、微環(huán)境等方面受到不同程度的影響。以上因素均會影響HCD催化過程所需的過電位及催化劑的穩(wěn)定性。
基于以上對HCD條件下電解水制氫特殊之處的認(rèn)知，文章考察了在設(shè)計HCD催化劑時需要考慮的五個方面，包括催化劑的尺寸效應(yīng)、表面化學(xué)、形貌、電荷傳輸路徑及與電解液間的相互影響：
第一，催化劑的尺寸效應(yīng)主要體現(xiàn)在對材料的比表面積、電荷傳輸路徑的影響，調(diào)控催化尺寸的目標(biāo)是促進(jìn)電荷傳輸及傳質(zhì)過程；
第二，表面化學(xué)主要影響傳質(zhì)過程及催化劑與中間產(chǎn)物間的成鍵強度，可通過構(gòu)建摻雜、合金、空位、異質(zhì)結(jié)等界面工程策略進(jìn)行調(diào)控；
第三，催化劑微觀尺度的結(jié)構(gòu)會影響其表面暴露的活性位點數(shù)與傳質(zhì)過程，可以通過改變催化劑單體的尺寸、構(gòu)建合適的通道以及調(diào)控活性位點的暴露程度進(jìn)行調(diào)節(jié)；
第四，電荷傳輸路徑會直接作用于電子傳輸?shù)乃俾屎湍Ｊ?，催化劑的電?dǎo)率、界面電阻等因素均會對此產(chǎn)生影響；
第五，催化劑與電解液間的相互影響主要作用于傳質(zhì)、催化劑與反應(yīng)物或中間體的成鍵鍵能，調(diào)控的主要途徑包括改變內(nèi)亥姆霍茲層內(nèi)界面水、pH或反應(yīng)物的表面吸附。
值得指出的是，由于以上五個方面是相互作用的，因此獲得高性能HCD催化劑，必須采用多尺度設(shè)計策略，同時考慮以上多個因素。
圖2：HCD電解水相關(guān)重要影響因素
圖3：大電流密度催化劑設(shè)計所需考慮的五個主要方面
最后，基于目前HCD催化劑性能仍與目標(biāo)值有較大差距的現(xiàn)狀，文章對于該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，包括對HCD條件下電化學(xué)界面的深入研究、對多尺度設(shè)計策略的進(jìn)一步深化與發(fā)展、對適應(yīng)工業(yè)條件的催化劑性能評價標(biāo)準(zhǔn)的建立、對HCD催化劑經(jīng)濟(jì)性的考量等幾個方面。
該綜述近期以“大電流密度水分解電催化劑設(shè)計的最新進(jìn)展”（Recent Advances in Design of Electrocatalysts for High-Current-Density Water Splitting）為題在線發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Material）期刊。本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院劉碧錄副教授與劍橋大學(xué)曼尼什·喬瓦拉（Manish Chhowalla）教授，第一作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院博士羅雨婷（現(xiàn)為加拿大多倫多大學(xué)博士后），第二作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院博士生張致遠(yuǎn)。該項工作得到國家自然科學(xué)基金委、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊項目、深圳市科創(chuàng)委、發(fā)改委、工信局等單位的支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108133
