劉晨　朱敏　車浩宇　郝興彤　李娓祎

摘 要：電解水制氫材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)對(duì)于環(huán)境保護(hù)、高效制備清潔能源具有重要意義。目前Pt系貴金屬是電催化制氫活性最好的催化劑，然而，其儲(chǔ)量少且價(jià)格昂貴，大大限制了其廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)高效非貴金屬基電催化析氫材料是極具研究前景的。本文主要簡述了電解水制氫的背景，電催化制氫材料的概述，以及一些新型電催化制氫材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

一、引言

水電解是一個(gè)能源密集的過程，在這一過程中，需要輸入電能才能獲得氫氣。傳統(tǒng)意義上來說，水電解所使用的電力來自化石燃料，而此種方法使得水電解的優(yōu)點(diǎn)得不到很好的呈現(xiàn)。直到太陽能和風(fēng)能的發(fā)展，水電解的熱情在科學(xué)界才逐漸被點(diǎn)燃。由于太陽能和風(fēng)能是間歇性可再生能源，非常適合水電解這一過程，因?yàn)檫^量的供電可以被充分利用來產(chǎn)生氫氣。此外，存儲(chǔ)氫氣還可用于燃料電池的工作。水電解過程和可再生資源的開發(fā)是全面清潔能源解決方案的關(guān)鍵，可實(shí)現(xiàn)總量零排放。

二、電催化制氫材料概述

氫因其高可持續(xù)能源經(jīng)濟(jì)能量密度和環(huán)保生產(chǎn)的可能性，已被證明是一種理想的能量載體，電解水制氫技術(shù)是當(dāng)代清潔能源技術(shù)的主要組成部分，如水堿電解槽，氯堿電解槽，質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽和太陽能水分解裝置等。但是，水分解制氫的實(shí)際應(yīng)用是非常有限的，由于大的過電位嚴(yán)重阻礙了陰極的析氫過程，通常都需要電催化劑的參與來提高產(chǎn)氫的活性[1]。因此，制備高效，廉價(jià)且綠色的電催化析氫材料是是電催化產(chǎn)氫技術(shù)的關(guān)鍵，其關(guān)系著電解水制氫的未來。

一般來說，催化劑催化活性的優(yōu)化應(yīng)考慮以下兩個(gè)要素：（1）適當(dāng)?shù)碾姶呋瘎┑脑O(shè)計(jì)和（2）相應(yīng)電解質(zhì)的選擇。催化劑的使用可以大大加快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，通過降低活化能來提高其效率，從而降低過電位。理想的電催化劑應(yīng)同時(shí)考慮到成本，合成方法，催化能力和長期利用性等。實(shí)際上，目前為止最理想且高效的催化劑主要是Pt基納米材料，它們具有可忽略的過電勢和可用于驅(qū)動(dòng)電催化析氫過程的優(yōu)異的動(dòng)力學(xué)特征。然而，Pt系貴金屬高昂的成本及有限的儲(chǔ)量大大限制了其實(shí)際應(yīng)用。近年來，一些具有優(yōu)異電催化析氫性能的非貴金屬基催化劑的設(shè)計(jì)和開發(fā)也逐漸被報(bào)道，包括金屬磷化物，硫?qū)倩?，硼化物，碳化物和酸性介質(zhì)中的氮化物，金屬合金和金屬氧化物/硫化物等[2]。盡管這些非貴金屬基催化劑經(jīng)歷了快速的發(fā)展，但是其金屬消耗量高，操作復(fù)雜，而且耐久性差仍然是科學(xué)工作者們需要克服的重大挑戰(zhàn)。

三、現(xiàn)代電催化制氫材料

雖然電催化劑的使用能大大促進(jìn)水電解制備氫氣這一過程，然而，目前性能最好的Pt基催化劑由于其資源的短缺和昂貴的價(jià)格，大大限制了其應(yīng)用。因此，開發(fā)非貴金屬基高效的電催化析氫材料是研究者們共同的目標(biāo)。筆者所在研究團(tuán)隊(duì)研制了一種新型的基于二硫化鉬和金屬有機(jī)框架的納米復(fù)合材料，該納米復(fù)合材料為二維層狀結(jié)構(gòu)，在0.5MH2SO4中呈現(xiàn)出優(yōu)異的電催化產(chǎn)氫性能，過電位為262mV，塔菲爾斜率僅為51mV·dec-1[3]，且呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。其優(yōu)異的電催化析氫性能可以歸功于其二維層狀結(jié)構(gòu)具有更大的比表面積，更快的電子傳輸通道;此外，二硫化鉬和金屬有機(jī)框架之間的協(xié)同作用也會(huì)增強(qiáng)電催化析氫活性。科研工作者Xie團(tuán)隊(duì)合成了富缺陷的MoS2超薄納米片，納米片上富含的大量缺陷導(dǎo)致其催化惰性的基面部分破裂，暴露出額外的活性位點(diǎn)[4]。此類富缺陷的MoS2超薄納米片表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化產(chǎn)氫活性，電化學(xué)研究表明，該MoS2納米片的過電位只有0.12V，塔菲爾斜率為50mV/dec，此外，該材料也表現(xiàn)出了極好的電化學(xué)穩(wěn)定性。相關(guān)工作也進(jìn)一步證明富含活性位點(diǎn)的超薄納米片能顯著提高材料的電催化析氫性能。最近，為了進(jìn)一步提高M(jìn)oS2超薄納米片的電催化析氫活性，研究者們將MoS2超薄納米片負(fù)載于導(dǎo)電基底上構(gòu)成復(fù)合材料，其中碳質(zhì)材料給電催化析氫過程提供了一種導(dǎo)電通道，增強(qiáng)了MoS2的導(dǎo)電性。科研工作者Chen課題組構(gòu)建了一例由微小的MoS2超薄納米片和3D石墨烯-碳納米纖維紙組成的復(fù)合物（MoS2-CPs）。將MoS2-CP作為電催化析氫的工作電極，在酸性介質(zhì)中過電位僅為80mV，在堿性介質(zhì)中為186mV，具有很好的析氫活性[5]。此外，構(gòu)筑基于MoS2納米片的雜化物也能顯著提高其電催化析氫活性?？蒲泄ぷ髡逽hen課題組制備了一種Ni@NC@MoS2納米片的雜化微球作為電催化析氫催化劑，層間距增大的MoS2納米片在Ni@NC基底上垂直生長。其呈現(xiàn)了優(yōu)異的電催化析氫活性，起始過電位僅為18mV，在10mA·cm-2時(shí)的過電位為82mV，塔菲爾斜率為47.5mV/dec，且在0.5 M H2SO4溶液中具有很好的穩(wěn)定性[6]。

四、結(jié)語與展望

隨著環(huán)境污染和能源短缺問題日益嚴(yán)重，尋找一種高效、清潔的可再生新型能源迫在眉睫。而在眾多的新能源中，氫由于其高效清潔而脫穎而出備受關(guān)注，其有效方法就是通過電化學(xué)法制備即電催化析氫。然而，目前電催化析氫中最高效的鉑系貴金屬催化劑，由于其儲(chǔ)量非常少且價(jià)格高，所以很難得到廣泛的應(yīng)用。因此開發(fā)低投入，高性能的電催化析氫催化劑是極具研究前景的。此外，從材料的實(shí)際使用來看，材料的穩(wěn)定性、不同pH下的普適性性等問題也是關(guān)鍵考慮因素。

[參考文獻(xiàn)]

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