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香港城大制備高效產(chǎn)氫電催化劑推動(dòng)潔凈能源研究 |
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香港城市大學(xué)（城大）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在納米材料研究方面取得重大突破，成功研發(fā)出一種高效的電催化劑，可大幅提升電催化水分解產(chǎn)生氫氣的效率，在清潔能源產(chǎn)業(yè)中有巨大的應(yīng)用潛力。
城大胡曉明講座教授（納米材料）張華教授及其團(tuán)隊(duì)，最近利用具有非常規(guī)晶相的過(guò)渡金屬二硫化物（transition metal dichalcogenide，TMD）納米片作為載體合成了一種催化劑，在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出卓越的電催化產(chǎn)氫反應(yīng)活性和穩(wěn)定性。課題組認(rèn)為這項(xiàng)成果意義極大，因?yàn)榻?jīng)過(guò)電催化水分解產(chǎn)生的氫氣是一種極具潛力的清潔能源，或在不久的將來(lái)取代化石能源，減少環(huán)境污染和溫室效應(yīng)。
2023年9月13日，這一重要研究成果以“Phase-dependent growth of Pt on MoS2 for highly efficient H2 evolution（鉑在二硫化鉬上的晶相依賴生長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)氫）”為題，發(fā)表在Nature期刊上。論文的通訊作者為張華教授、英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院化學(xué)系A(chǔ)nthony R. J. Kucernak教授。
張教授指出，對(duì)電催化水分解的研究，關(guān)鍵在于研發(fā)出高效穩(wěn)定的催化劑。在制備催化劑的過(guò)程中，選取合適的載體對(duì)于提高催化劑活性以及穩(wěn)定性具有重要的意義。
作為一種新興的二維材料，TMD納米片由于其獨(dú)特的物理及化學(xué)性質(zhì)，一直是近年來(lái)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。晶相是決定TMD納米片性質(zhì)以及功能的一個(gè)極為重要的因素。舉例來(lái)說(shuō)，常規(guī)2H相二硫化鉬（MoS2）具有半導(dǎo)體性質(zhì)，而非常規(guī)1T或1T′相MoS2卻表現(xiàn)出金屬或半金屬特性，因而具有良好的導(dǎo)電性。然而，制備高純度、高質(zhì)量的1T或1T′相TMD納米片極具挑戰(zhàn)。因此，科學(xué)家對(duì)于該納米片載體的晶相如何控制材料的生長(zhǎng)研究，目前尚處于摸索階段。
近年來(lái)，張華教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了多種氣-固反應(yīng)以及鹽輔助合成等新方法，成功制備了多種高純度、高質(zhì)量的非常規(guī)1T′相TMD晶體材料。這些材料具有特異的半金屬特性，在光電子器件、催化、儲(chǔ)能和超導(dǎo)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
在該工作中，針對(duì)上述挑戰(zhàn)，張華教授研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了制備非常規(guī)相二維TMD納米片的新方法，并深入研究了非常規(guī)1T′-TMD和常規(guī)2H-TMD納米片上貴金屬的晶相依賴生長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)2H相模板有助于鉑（Pt）納米顆粒的外延生長(zhǎng)，而使用1T′相作為模板則能夠使鉑維持單原子級(jí)分散（s-Pt），由此研發(fā)出s-Pt/1T′-MoS2材料（single-atomically dispersed Pt atoms/1T′ phase molybdenum disulfide，單原子級(jí)分散的鉑/1T相二硫化鉬）。進(jìn)一步研究表明，該材料是一種卓越的電催化產(chǎn)氫催化劑。為了克服鉑基催化劑在酸性介質(zhì)中進(jìn)行電催化產(chǎn)氫反應(yīng)的質(zhì)量傳輸限制（mass transport limitation），研究團(tuán)隊(duì)使用了先進(jìn)的懸浮電極（floating electrode）技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，s-Pt/1T′-MoS2催化劑在-50 mV過(guò)電位下能夠表現(xiàn)出超高（85±23 A mgPt-1）的質(zhì)量活性與交換電流密度（127 A mgPt-1）。同時(shí)，該催化劑能夠在質(zhì)子交換膜水電解槽中穩(wěn)定工作五百個(gè)小時(shí)，極具應(yīng)用前景。
張教授團(tuán)隊(duì)的研究系統(tǒng)地探討了1T′-TMD和2H-TMD納米片上的貴金屬晶相依賴生長(zhǎng)，并證明了1T′-TMD納米片是一種理想的催化劑載體。
圖1：1T′-MoS2 NSs的制備與表征。
圖2：s-Pt/1T′-MoS2的結(jié)構(gòu)表征。
圖3：s-Pt/1T′-MoS2電子結(jié)構(gòu)特征。
圖4：電催化HER的測(cè)量。
這項(xiàng)研究成果擴(kuò)展了納米材料相工程（Phase Engineering of Nanomaterials, PEN）的研究領(lǐng)域，推動(dòng)了高效催化劑的設(shè)計(jì)與合成。張教授表示，未來(lái)除了繼續(xù)研究更多基于1T′-TMD的催化劑外，還會(huì)進(jìn)一步探索該催化劑的工業(yè)化應(yīng)用前景，希望能為清潔能源和可持續(xù)發(fā)展做出更多的貢獻(xiàn)。
此次研究匯聚來(lái)自中國(guó)、新加坡和英國(guó)的大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的合作者，展現(xiàn)了國(guó)際合作在取得科研突破中的重要性。（來(lái)源：科學(xué)網(wǎng)）
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06339-3
