镍钼催化剂 清华大学深圳国际研究生院：优秀硕士学位论文再创佳绩

镍钼催化剂 清华大学深圳国际研究生院：优秀硕士学位论文再创佳绩

编者注

2021年清华大学深圳国际研究生院优秀硕士学位论文数量再创新高，占全校优秀硕士论文的31%。共有63篇论文获清华大学优秀硕士学位论文，其中我校专任教师指导的论文44篇。本次系列推送，带你一睹我校获奖学生的科研成果。

论文中文标题：高效稳定催化剂的制备及其在大电流盐水制氢中的应用

以及来自水

作者：杨凤宁

指导老师：刘碧璐副教授

培训部门：清华-伯克利深圳学院

学科：材料科学与工程

学习心得：勤奋学习+好奇的问题+兴趣=快乐科研

所获荣誉：2021年度清华大学优秀毕业论文、2021年度清华大学优秀毕业生、清华大学深圳国际研究生院综合优秀奖学金一等奖、EMN桂林会议“最佳海报奖”

杨丰宁与导师刘碧璐（左）

研究背景/选题意义/研究价值

环境污染和能源危机是当今社会日益突出的问题，可持续发展技术和可再生能源的发展刻不容缓。氢能是一种极具潜力的可再生能源，其中利用水电解制氢是最清洁的手段之一。与其他制氢技术相比，水电解制氢的高成本限制了该技术的广泛应用。低含量贵金属催化剂被认为是一类极具应用价值的材料，但目前无法满足海水、大电流等多种场景下的性能和稳定性要求。大电流和盐水环境对催化剂的多尺度材料设计提出了新的要求。因此，开发尺寸效应贵金属纳米粒子稳定锚固在高比表面积、耐腐蚀基底上的催化剂是降低水电解制氢成本和在多场景中应用的关键。 本研究开发了满足该科学问题的低贵金属家族材料“特洛伊催化剂”，探究了该材料的制备原理、性能机理和工业应用，并全面评估了该催化剂在水电解制氢应用中的潜力。

主要研究内容

首先，开发了“特洛伊催化剂”的制备方法，并探究了该方法的制备原理；其次，以两种特洛伊催化剂Pt/Ni-Mo和Ru/Ni-Mo为例，它们分别在析氢反应和析氧反应中均有优异的表现；最后，特洛伊催化剂可进行放大生产，并在大电流、盐水等条件下长期稳定运行。

论文的主要创新点

1.开发了“特洛伊催化剂”的制备方法，并探究了该方法的制备原理。利用不同元素还原电位及其氧化物生成焓的差异，控制退火时间，使元素在氢还原气氛中依次还原，从而实现少量贵金属纳米颗粒分散在高比表面积的载体材料上。

2.以Pt/Ni-Mo和Ru/Ni-Mo 催化剂为例，它们分别在析氢反应和析氧反应中表现出优异的性能。Pt/Ni-Mo 催化剂在大电流析氢反应中表现出优异的性能，仅需45 mV的过电位就能达到2000 mA cm-2的电流密度。同时，Ru/Ni-Mo 催化剂表现出优异的析氧性能，在390 mV时就能达到2000 mA cm-2的电流密度。并研究了催化剂在水电解体系中能有优异性能的原因在于多尺度优化。

3. Troy催化剂可规模化生产，在大电流、盐水等条件下长期稳定运行。通过测试Pt/Ni-Mo在海水中的性能及稳定性，发现仅需113mV过电位即可达到 cm-2电流密度，且24小时运行良好。实现了Troy催化剂的规模化制备，合成了以上的大面积Pt/Ni-Mo催化剂。将Troy催化剂应用于商业化氢气发生器，表现出比目前商业化催化剂更好的催化性能。

Pt/Ni-Mo催化剂的HER活性：(a)Pt片、Ni泡沫、Mo-Ni催化剂、Pt/Ni-Mo 催化剂的极化曲线；(b)不同催化剂的EIS光谱；(c)不同催化剂的Tafel斜率；(d)不同电流密度下催化剂的Δη/Δlog|j|比值

不同催化剂的动态接触角和静态接触角

扩大 Pt/Ni-Mo 催化剂

论文相关学术成果

学术论文：

[1] Yang, FN +, Luo, YT +, Yu, QM, Zhang, ZY, Zhang S., Liu, ZB, Ren, WC, Cheng, H. M, Li, J, Liu, BL, A 和 2000 mA cm−2 电流密度的水。 , (2021). (SCI 收录, IF=18.808)

[2] 张晨, 张建国, 罗永泰, 谭建英, 余庆梅, 杨凤莲, 张志勇, 杨林生, 程汉民, 刘宝林, 2020, 11, 3724 (2020). (SCI收录, IF=14.919)

[3] 罗英、SW、唐琳、张哲、杨锋、余倩、丁斌和刘斌，载于《Small 的 . 》（2021 年）。

专利：

[4] 刘斌、杨锋、罗燕、余倩（2020 年）。中国第 2.7 号。中国。

其他：

[5] “最佳”，EMN，上，和。

来源 | 栽培部

规划 | 陈锦菁, 于小青

文/图｜杨凤宁

编辑 | 叶思嘉

排版 | 姚诗诗