“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)器的目標電流密度將在2030年達到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，清華大學深圳國際研究生院劉碧錄副教授與劍橋大學曼尼什·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，為達到高生產(chǎn)效率，水電解常在HCD下進行。大電流與小電流電解水過程主要有兩點區(qū)別：一是達到HCD所需的偏壓更高，這將引起更為嚴重的極化現(xiàn)象；二是HCD的電化學反應(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、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)控催化尺寸的目標是促進電荷傳輸及傳質(zhì)過程；
第二，表面化學主要影響傳質(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?，催化劑的電導率、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)展方向進行了展望，包括對HCD條件下電化學界面的深入研究、對多尺度設(shè)計策略的進一步深化與發(fā)展、對適應(yīng)工業(yè)條件的催化劑性能評價標準的建立、對HCD催化劑經(jīng)濟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)計的最新進展”（Recent Advances in Design of Electrocatalysts for High-Current-Density Water Splitting）為題在線發(fā)表于《先進材料》（Advanced Material）期刊。本文通訊作者為清華大學深圳國際研究生院劉碧錄副教授與劍橋大學曼尼什·喬瓦拉（Manish Chhowalla）教授，第一作者為清華大學深圳國際研究生院博士羅雨婷（現(xiàn)為加拿大多倫多大學博士后），第二作者為清華大學深圳國際研究生院博士生張致遠。該項工作得到國家自然科學基金委、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊項目、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
