電解水制氫電極材料研發獲突破

文/仲 科

近日，中國科學技術大學教授俞書宏研究組開發出一步法合成技術，實現了二硒化鈷和二硫化鉬材料的化學嫁接，研制出析氫性能接近貴金屬鉑的水還原高效復合催化劑，而且穩定性優異，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、風能、水位能等）以氫為媒介存儲、運輸和轉化可實現環境友好和可持續發展的經濟構型。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，即陰極水的還原和陽極水的氧化。然而，反應動力學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，導致電能損失嚴重。一些貴金屬如鉑、氧化釕、氧化銣等能有效地降低反應活化能壘，提升反應速率，但是昂貴的價格限制其在電解水工業中的規模化使用。

該研究組運用一步法所制備的二硒化鈷/二硫化鉬復合催化劑表現出優異的水還原催化活性，在0.5M H2SO4電解質中交換電流密度達到7.3×10-2mA /cm2。研究發現，此兩種材料的復合在界面處形成了新的鈷-硫化學鍵。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物的吸附，增強其反應動力學；另一方面，硫與鈷的相互作用也帶來電催化協同效應，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。