浙工大化工学院褚有群科研团队在自支撑电催化制氢材料及电极结构匹配方面取得新进展
电解水制氢（H2）具有零碳排放、清洁绿色、产品纯度高等优点，是一种重要的新能源（如风能、太阳能等）消纳技术。该技术的规模化应用不仅取决于低成本、高稳定性的高效电催化材料，同时气体电极过程中气-液-固“三相界面”的高效运转对其反应动力学具有决定性影响。通过提升原子利用率降低贵金属用量、设计具有3D结构的电催化材料和电极制备技术是提高电解水制氢装置电化学性能的重要途径。因此，基于产业化应用场景，设计和开发可规模化制备的廉价高性能电催化材料制备技术及构建高效的“三相”电极界面，对推动电解水制氢催化材料从实验室走向实用化具有重要意义。
冠状病毒结构Pt-WC/CNT材料结构的设计思路
鉴于此，受到冠状病毒结构启发，化学工程学院陈赵扬、褚有群团队以原位可控生长的碳纳米管（CNTs）作为结构支架，设计并合成出了一种具有类冠状病毒结构的自组装铂催化剂（CNT-WC-Pt）。这种独特的催化剂结构不仅可最大限度地暴露Pt表面，同时可利用其高效的“三相界面”结构为析氢反应（HER）过程中氢气溢出提供丰富的通道。大幅提高了贵金属表层原子的利用率，改善了氢气的溢出动力学，显著提升了电极反应性能和稳定性。
Pt-WC/CNT材料性能表征及电极表面氢气溢出情况
制备得到的微米级Pt-WC/CNT催化剂在10 mA/cm2的电流密度下具有非常低的过电位（25 mV）；在100 mV的过电位下，反应的转换频率（TOF）可达34.97 H2/s，并在0.5 M H2SO4溶液中表现出可忽略的活性衰减。结果表明，借助高效的贵金属原子利用率及丰富的氢气溢出通道，所研制的催化剂表现出了优异的析氢动力学性能。同时，本工作开发的以自组装和外延生长协同方式控制表层贵金属的技术，为超低贵金属载量电催化剂研制及新型HER电极结构的开发提供了新途径。
团队相关研究成果以“Bio-Inspired Superhydrophilic Self-Assembled Coronavirus-Like Pt-WC/CNT for Hydrogen Evolution Reaction”为题于2024年1月23日发表在国际刊物《small》。学院陈赵扬老师为第一作者，褚有群教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金的资助。
