二硫化钼面内组装过渡金属磷化物析氢电催化剂的结构设计、多相界面 调控与性能研究

Proton exchange membrane (PEM) water electrolysis has been considered as the optimal selection of the harmonious development of the energy and environment in the future. However, the scarcity and high cost of Pt-group metals for hydrogen evolution reaction (HER) confine the industrialization process seriously. Therefore, it is necessary to develop new acid-stable HER catalysts with high performance and low price. The research of key scientific issues including preparation and structural characteristics of non-precious HER catalyst, the charge transport mechanism and loading mode of HER electrode and multiple interfaces will promote the evolution of PEM water electrolysis. The project takes advantage of the electrochemical synergy and promotion of catalysis and electrocatalytic property of the different component to explore preparation mechanism and controlled microstructure of novel composited catalyst. Meanwhile, the electron and proton transport, gas and water transfer mechanism on multiple interfaces are used to study processing technology of interactive and synergistic substrate and HER electrode. The project will be carried out by virtue of advanced physicochemical and electrochemical characterization to clear the relationship between the multiple interface reaction mechanism and the catalytic activity. The objective of this work will provide the theory and technic support for the economic and large scale synthesis of the HER catalysts. Besides, it has particular theoretical significance and application for the industrialization process of PEM water electrolysis.

质子交换膜水电解制氢，被视为未来能源和环境协调发展的重要选择。然而，析氢反应铂基催化剂使用制约了其商业化进程，寻找高效、廉价且能在酸性环境稳定工作的新型析氢催化剂具有重大意义。新型非贵金属催化剂制备、复合电催化材料结构特性、一体化析氢电极荷电传输特性以及负载方式、多相界面等关键科学问题的研究有助于质子交换膜纯水电解的发展。本项目申请依据协同增强催化理论，利用不同材料的电催化特性，调控不同组分的区域电催化关系，探索新型复合催化材料的制备机理、微结构调控；并基于多相界面电子、质子传输及气液传输特性，探究一体化析氢电极的制备工艺及基体材料与活性组分交互支持作用关系。项目的开展借助先进的理化和电化学表征手段，明晰多相界面反应机制与电催化活性的对应关系。本研究工作将对高效析氢电催化剂的低成本、规模化制备提供理论和技术支持，并对质子交换膜水电解制氢商业化进程具有一定理论意义和应用价值。

质子交换膜水电解(PEMWE)制氢技术以其独特的优势被视为未来全球能源与环境协调发展的优先选择。其中析氢反应（HER）铂基催化剂使用和析氧反应（OER）可逆性差、反应动力学过程缓慢制约了其商业化进程。本项目工作旨在寻找高效、廉价且能、稳定工作的新型催化剂，围绕电催化材料组分协同增强催化作用，基体材料与活性组分交互式支持作用的科学实质，借助材料合成思路和制备方法的革新及一体化多孔电极制备工艺，开展适合规模化生产高性能、高稳定性及低成本电催化剂和一体化电极的研究工作:（1）明确了电催化表面原子组成、晶体类型、晶面取向、表面形状及活性组分分布的调控策略和影响机制，成功制备出高活性的混晶态结构Ni2P&Ni3P析氢电催化剂与Ni-P/316L一体化析氢电极，电流密度20 mA cm-2下Ni2P&Ni3P的析氢过电位为154 mV vs NHE，电流密度300 mA cm-2下，Ni-P/316L的析氢过电位为347 mV vs NHE，能够能满足电解池对析氢电极的要求；（2）研究不同活性组分的之间的协同增强作用，制备了兼具析氢与析氧电催化活性的双功能电催化剂IrCoNiP，电流密度10 mA cm-2下，析氢过电位仅为17.5 mV vs RHE，析氧过电位仅为200 mV vs RHE，实现了较高的析氢和析氧电催化活性；（3）合成制备了一系列的复合载体/基体材料，包括锑掺杂二氧化锡一维纳米线ATO NF、具有纳米鳞状有序结构SnO2 NF@C/CP、兼具复合电子、质子电导性的电化学可控还原氧化石墨烯，明确了载体/基体材料的微结构，电子和质子电导性对活性组分交互支持作用。本项目研究工作为科学设计与开发纳米电催化剂提供了新思路。.基于高性能、高稳定性的纳米电催化剂和一体化电极，完成电解水制氢单池的组装、测试、评估。采用非贵电催化材料与一体化电极，电流密度为500 mA cm-2时，槽压为2.06 V。采用IrCoNiP作为阳极与阴极电催化材料制备的膜电极能实现满足DOE的性能目标要求，本项目工作对于PEMWE制氢技术的工业化应用具有重要的理论意义和现实意义。