盧力媛 科技日報記者 王春
氫能是關系國家未來的重大新興產業(yè)。據國際能源署預測，到2050年，全球氫氣需求將達到約1億噸，其中大部分來源于綠氫。然而，在綠氫產業(yè)化進程中占據重要地位的質子交換膜電解水技術（PEMWE），卻面臨催化劑性能問題的挑戰(zhàn)。想要滿足未來綠氫產業(yè)的需求，開發(fā)一種低成本、高效且穩(wěn)定的催化劑，成為全球學術界和工業(yè)界迫切需要解決的核心問題。
復旦大學張波、徐一飛、段賽、徐昕合作團隊通過創(chuàng)造性的“熟化誘導嵌入方法”，合成了具有極高催化活性和穩(wěn)定性的銥/鈰嵌入式負載催化劑，在減少貴金屬用量的同時顯著提高了綠色氫氣的生成效率，為綠色氫能的可持續(xù)發(fā)展奠定了新基礎。相關研究成果于2月14日發(fā)表在《科學》上。
熟化誘導嵌入式催化劑的設計思路示意圖。復旦大學供圖
在綠氫的生產過程中，PEMWE電解水技術是當前最為前沿的技術之一。PEMWE依賴于析氧反應催化劑，這一催化過程的效率直接決定了整個電解水反應的能效與經濟性。
目前，銥和其氧化物是唯一可以在PEMWE陽極的強酸性環(huán)境下穩(wěn)定工作的催化劑，但其高昂的成本和稀缺性限制了其大規(guī)模應用。此外，現(xiàn)有的銥基催化劑因催化活性和穩(wěn)定性有限，尚無法滿足未來綠氫產業(yè)的需求。
“這是因為現(xiàn)有的催化劑看上去就像我們早餐吃的麻球，‘麻球’表面的‘芝麻’就是氧化銥，正是這些‘芝麻’在發(fā)揮催化作用?！睆埐ù虮确秸f，但這種結構就導致電解水制氫過程中會產生大量氣泡，不斷沖刷催化劑，使得“芝麻”易脫落。
如何才能讓“芝麻”不容易脫落？張波想到了牙齒：“牙齒是種在牙床上的，如果把‘芝麻’一半嵌在麻球里，一半露在外面，那么氣泡再沖刷，‘芝麻’也不會輕易脫落。”如此，就能顯著提升綠氫制備過程中的反應效率和催化活性，同時減少銥的使用量。
在“麻球”上“種芝麻”的想法提出后，研究團隊通過嚴密的理論計算和先進的電鏡原位觀測，尋找到了能夠讓“麻球”生長的速度和表面“芝麻”生長的速度相匹配的實驗條件，然后利用納米晶體在超聲和加熱作用下發(fā)生自發(fā)長大過程，將銥及其氧化物納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中，最終形成了一種穩(wěn)定高效的負載型催化劑。
研究團隊對該催化劑進行了長達6000小時的PEMWE工況測試顯示，熟化誘導嵌入方法有效防止了銥顆粒的溶解、脫落和團聚，顯著提高了催化劑在長期運行中的活性和穩(wěn)定性。
據了解，未來研究團隊將進一步拓展低成本、高活性、高穩(wěn)定性的催化劑材料的研究，為綠色氫氣生產提供更多創(chuàng)新方案。此外，研究團隊還計劃依托復旦大學孵化的山海氫（上海）新能源科技有限公司，進一步推廣技術落地產品化。