Nat. Commun. 武汉大学学者研制出长寿命的高性能低成本电解产氢电极- 大数跨境

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Nat. Commun. 武汉大学学者研制出长寿命的高性能低成本电解产氢电极

科学材料站

2021-11-25

导读：该工作提供了一种可用于酸/碱体系的长寿命高性能MoC-Mo2C异质结析氢电极。

文章信息

长寿命的高性能低成本电解产氢电极

第一作者：刘威

通讯作者：汪的华*，郭宇铮*，尹华意*

单位：武汉大学

研究背景

发展和应用可再生能源是实现碳达峰、碳中和、从源头减少环境污染的关键，利用太阳能、风能、水能等清洁能源电力电解制氢（绿氢）是实现能源高效存储和绿色利用（氢氧燃料电池等）的重要途径。

廉价易得并兼具高催化活性、高稳定性的析氢电极是实现大规模电解水制氢的关键和难点，中国科协在2020年8月发布《面向未来的科技》一书中将“如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中实现大规模、低能耗、高稳定性三者的统一？”列为2020重大科学问题和工程技术难题之一。

文章简介

基于此，武汉大学资源与环境科学学院汪的华、尹华意教授课题组与电气与电动化学院郭宇铮教授课题组联合在国际期刊Nature Communications（《自然▪通讯》）在线发表题目为“A durable and pH-universal self-standing MoC-Mo₂C heterojunction electrode for efficient hydrogen evolution reaction”的文章。该工作提供了一种可用于酸/碱体系的长寿命高性能MoC-Mo₂C异质结析氢电极。

图1. a为自支撑MoC-Mo₂C异质结析氢电极的制备、应用和工作原理示意图；b为MoC-Mo₂C析氢电极的表面形貌；c为电极的表面润湿性和电解时电极表面细小气体析出照片

图2. a-d为不同电极在酸、碱电解液中的析氢极化曲线（MoC-Mo₂C异质结电极在酸碱中表现出相近的Tafel斜率）；e-f为MoC-Mo₂C异质结析氢电极在酸、碱中工作稳定性测试曲线

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本文要点

该工作以温室气体CO₂为碳源、在金属钼基体上通过控制熔盐电解条件在钼表面原位生长制备了具有蜂窝状多孔微结构、超亲水、高机械强度的MoC-Mo₂C异质结涂层析氢电极。该电极在酸性和碱性电解质中均表现出优异的氢析出催化活性，在工业级电流密度（500mA/cm²）电解条件下过电位分别为256mV（酸）和292mV（碱），在工业电解温度（~70 °C）析氢过电位进一步降低。

该电极还具有超高的电化学和机械稳定性，在酸碱电解液中连续电解测试2400小时 (100 天)性能保持稳定。这种可规模化制备的无需任何贵金属的兼具高催化活性和高稳定性的析氢电极可为解决上述工程技术难题提供所需的关键阴极材料。

理论计算表明，MoC-Mo₂C异质结能够优化质子吸附自由能（ΔGH*），并有效降低水分解能垒，具有超高的本征催化活性和宽pH范围的适应性；电极表面蜂窝状微观结构为析氢反应提供了丰富的催化析氢活性位点；超亲水的表面性质有利于工业级电流密度下氢气的快速逸出；原位生长的高结合力MoC-Mo₂C涂层保证了电极的超高稳定性。

文章链接

A durable and pH-universal self-standing MoC–Mo₂C heterojunction electrode for efficient hydrogen evolution reaction

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27118-6.pdf

通讯作者简介

汪的华教授

汪的华，武汉大学教授。1991年本科、1994年硕士毕业于武汉大学环境化学专业，1998年博士毕业于武汉大学物理化学专业，先后在英国诺丁汉大学和美国麻省理工学院访问和合作研究。曾获国家杰出青年科学基金资助，入选国家“万人计划”科技创新领军人才支持计划。主要从事高温熔盐电化学研究，包括低碳电化学冶金、二氧化碳捕集和资源化利用、废弃物资源化利用、电解电极材料与技术、材料失效与保护，发表论文240余篇，申请发明专利50余项。

郭宇铮教授

郭宇铮，毕业于北京大学物理学院与剑桥大学工程系，现任武汉大学电气与自动化学院教授、博士生导师，电工理论与新技术系副主任，主要研究方向为电子材料、电子器件、新型半导体材料、新型能源材料等。已发表SCI收录论文100余篇，引用3000余次, h-index为33。

尹华意教授

尹华意，2012年博士毕业于武汉大学，2012-2017在MIT和UT-Austin从事博士后研究。主要从事高温电化学及能源材料的源头提取和再生循环方面的研究，先后在Nature Energy，Nature Communications，Energy &Environmental Science, Advanced Energy Materials, Environmental Science & Technology等杂志发表多篇研究论文。