清华大学深圳国际研究生院刘碧录团队NC：具有鲁棒性和金属性界面的Ta-TaS2同源单体催化剂用于大电流密度析氢反应- 大数跨境

首页

清华大学深圳国际研究生院刘碧录团队NC：具有鲁棒性和金属性界面的Ta-TaS2同源单体催化剂用于大电流密度析氢反应

科学材料站

2021-10-23

导读：该论文实现了工业级电流密度的高效、稳定析氢，论文呢研究结果为构建电解水制氢电极提供了新思路，相关策略有望进一步拓展到其他应用电极材料体系中。

文章信息

一种新型的同源单体电极材料实现高效、稳定的大电流密度析氢

第一作者：余强敏

通讯作者：刘碧录*，孙成华*

单位：清华大学深圳国际研究生院，斯威本科技大学

研究背景

电解水制氢与可再生能源技术整合可有效缓解化石能源过度使用带来的环境污染等问题，对实现碳中和目标意义重大。大电流密度析氢是实现工业电解水制氢的前提，目前大部分的电极使用粘结剂负载催化剂，此类电极催化剂的粘附力通常较弱，在大量气泡的冲击下极易脱落，导致电极的使用寿命变短。

同时，这种结构也不可避免地在催化剂和衬底之间产生大的界面电阻，大大降低了能量转换效率。因此，设计一种低电阻和强结合力的催化剂/基底界面结构对于实现大电流密度下的稳定析氢十分重要。

基于此，我们采用定向固相合成方法在钽金属衬底上垂直生长了二硫化钽，构筑了同源金属（Ta-TaS2）的界面结构。此界面结构具备机械鲁棒性和近零电阻性质，从而使得催化电极实现了超大电流密度下的稳定析氢。

文章简介

本文中，来自清华大学深圳国际研究生院的刘碧录教授与斯威本科技大学的孙成华教授合作，在国际知名期刊Nature communications上发表题为“A Ta-TaS2 monolith catalyst with robust and metallic interface for superior hydrogen evolution”的研究文章。

该论文实现了工业级电流密度的高效、稳定析氢，论文呢研究结果为构建电解水制氢电极提供了新思路，相关策略有望进一步拓展到其他应用电极材料体系中。

图1. 同源单体电极结构模型及相应的物理化学性质。

文章要点

要点一：同源界面结构

利用定向固相合成方法构筑了一种同源金属（Ta-TaS2）的界面结构，此界面结构具备机械鲁棒性和近零电阻性质。第一性原理计算表明，金属基底可向催化剂中有效注入大量电荷（电荷注入效应），优化氢吸附自由能，提高催化活性。

此外，能带结构图解析结果显示，金属基底与金属性二维材料均能在费米能级处贡献大量自由电子，这表明由金属基底与金属性二维材料组合的同源单体析氢电极展现出与金属相同的电学性质。

界面力学方面，同源单体催化剂中的强共价界面的界面结合力是普通粘结剂结合力的近3倍，实验结果表明这种同源结果具有强健的机械稳定性；电学方面，同源单体催化剂与金属钽和金属性二硫化钽的导电率相当（~3 × 106 S/m），具有金属的导电属性，是大电流析氢电子传输的良好导体。

图2. 同源单体催化剂的界面力学和电学性能。

要点二：大电流电解水析氢性能

该同源单体析氢电极直接用于电解水析氢反应，其在2000 mA cm-2的工业大电流密度下仅需398 mV的过电位，优于大多数文献报道结果。此外，该析氢电极在大电流（200 -1000 mA cm-2）工况下持续200 h的析氢反应后性能无衰减，表现出具备工业应用条件的大电流析氢稳定性。

进一步地，以该同源单体析氢电极为阴极、商业氧化铱为阳极组装在电解水器件中，其表现出优于商业铂基析氢电极的电解水性能，仅在1.98 V的施加电压下就实现了1000 mA cm-2的析氢电流密度，法拉第效率接近100%。该同源单体析氢电极制备成本低、催化性能高，在工业电解水制氢电极中具有规模化应用前景。

图3. 同源单体催化剂的大电流密度析氢性能。

文章链接

“A Ta-TaS2 monolith catalyst with robust and metallic interface for superior hydrogen evolution”

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26315-7

通讯作者简介

刘碧录教授.

刘碧录，清华大学深圳国际研究生院材料研究院副院长、副教授、博士生导师，深圳盖姆石墨烯中心副主任。2006年本科毕业于中国科学技术大学，2012年博士毕业于中国科学院金属研究所。2012至2016年在美国南加州大学先后担任博士后和研究助理教授，2016年6月回国工作。主要研究方向是二维材料，尤其关注二维矿物材料的规模可控制备及其在清洁能源、电子与光电领域的功能性应用。在National Science Review, Materials Today, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nature Communications，Science China Materials等期刊上发表高质量论文110余篇，获授权中国发明专利10余项，在国内外学术会议上作邀请报告30余次。曾获2016年国家重点人才计划和2017年优秀青年科学基金项目资助，目前承担国家自然科学基金委杰出青年基金项目、重点国际合作项目、重大项目（课题负责）。自2017年起担任材料学领域综合性国际期刊Science and Technology of Advanced Materials的Associate Editor，自2020年起担任Wiley出版社Nano Select期刊的Associate Editor。曾获2012年中国科学院院长特别奖、2018年清华大学学术新人奖、2021年纳米研究青年科学家奖（Nano Research Young Innovator Award）等。

孙成华教授。

孙成华教授2007年毕业于中国科学院金属研究所，师从成会明院士、逯高清教授（澳大利亚科学院士和工程院士）、李峰研究员，于2007到澳大利亚从事博士后研究，先后在瑞典皇家理工、普林斯顿大学、哈佛大学从事访问博士后，于2012年获澳大利亚昆士兰政府的智慧未来之星（Smart Future Fellow），并获得昆士兰大学杰出研究奖，于2013年获得蒙那什大学（Monash University）的教职，同年获得澳洲联邦政府未来之星奖，于2016年获斯威本科技大学(Swinburne University of Technology)终生教职。目前从事研发面向清洁能源与环境的高性能催化剂，其研究长期得到澳大利亚国家计算中心的资助。至今已发表150余篇SCI论文，包括Nature、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Adv. Func. Mater.等，论文被引用10000余次，单篇最高引用2800余次，H因子39。

课题组介绍

课题组网站：https://www.tbsi.edu.cn/biluliuGroup/home.html

课题组招聘

现因科研工作需要，拟招聘博士后研究人员1-2名。岗位职责、应聘条件及相关待遇等如下。

应聘条件：

1)具有物理、化学、材料学、电子学等相关专业博士学位，具备扎实的专业基础知识。优先考虑具有二维材料、电催化与能源存储等研究背景的申请人；

2)品学兼优、身体健康、富有团队合作精神、热爱科学研究、具有严谨科学态度、且可以全职从事博士后研究工作的人员；

3)具有良好的英文水平，在知名刊物上以第一作者身份发表过2篇以上高质量学术论文。

科研支持及相关待遇：团队将为博士后人员提供良好的办公场所、实验设备、科研项目和良好的个人职业发展机遇。

1).学校将为博士后人员提供极具竞争力的薪酬待遇。根据资历和个人学术情况，薪酬为税前年收入30万元以上，由以下几个部分构成：a)清华大学博士后基本工资12万/年；b)深圳市博士后生活补贴(免税)18万/年。

2).学校提供两年共计1.5万元的科研补助支持博士后开展各类科研和学术活动；

3)．博士后出站后留深从事科研工作的，可申请深圳市三年共计30万元的科研资助，符合条件的可认定为深圳市高层次人才或孔雀人才并享受相应人才待遇，实验室将协助申请相应证书和奖励；