我国水制氢实现新突破 氢能应用将更加广阔

2月14日，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程全国重点实验室张波教授团队、徐一飞青年研究员团队联合化学系徐昕教授团队在《科学》杂志（Science）发表关于质子交换膜电解水装置（PEMWE）催化剂的最新研究成果，题为《熟化诱导嵌入形成的超稳定析氧反应电催化剂》。这一历时三年研发的电解水制氢成果，通过创造性的催化剂设计思路，大幅提高制氢效率和稳定性，为绿色氢能可持续发展提供技术支撑。

减少铱的使用量，同时提升转化效率

该团队负责人对上证报记者表示，当前，PEMWE电解水技术是生产绿色氢气最前沿的技术之一。然而，其广泛应用仍面临诸多技术瓶颈，主要挑战之一便是催化剂的性能问题。目前采用的催化剂是铱及其氧化物（IrOₓ），其高昂的成本和稀缺性限制了大规模应用。

同时，铱基催化剂的催化活性和稳定性，尚无法满足未来绿色氢能产业的需求。因此，开发一种低成本、高效且稳定的催化剂，成为全球学术界和工业界迫切需要解决的核心问题。

上述负责人表示，该研究通过创造性的“熟化诱导嵌入方法”，合成了具有极高催化活性和稳定性的铱/铈嵌入式负载催化剂，在减少贵金属用量的同时显著提高了绿色氢气的生成效率，为绿色氢能的可持续发展奠定了新的里程碑。团队提出一种创新的嵌入式负载型催化剂设计方案，显著提升了OER反应的效率和催化活性，同时减少了铱的使用量。

“形象来说，负载型催化剂看上去就像我们早餐吃的麻球，‘麻球’表面的‘芝麻’就是氧化铱，正是这些‘芝麻’在发挥催化作用。”张波打比方道。但这种结构就导致一个问题——电解水制氢过程中会产生大量气泡，不断冲刷催化剂，导致“芝麻”易脱落。

如何才能让“芝麻”不容易脱落？

张波联想到了牙齿：“牙齿是种在牙床上的，如果将‘芝麻’一半嵌在麻球里，一半露在外面，那么即使气泡反复冲刷，‘芝麻’也不容易脱落。”在提出“在‘麻球’上‘种芝麻’”这一想法后，理论计算团队与实验团队进一步展开合作。化学系徐昕教授团队首先通过自主研发的算法，进行严密的理论计算，使“麻球”生长速度与表面“芝麻”生长速度相匹配，从而确保“芝麻”达到一半在外、一半嵌入的效果。若二者的生长速度失衡，“芝麻”可能会被“麻球”完全吞没，或者仅粘附一点，进而增加脱落风险。这种合作方式大大加速了预测材料合成的时间。

据介绍，研究团队进一步利用纳米晶体在超声和加热作用下发生的自发长大（熟化）过程，通过构建载体生长速率和催化剂成核速率的匹配关系，将IrOₓ纳米颗粒嵌入在氧化铈载体中，形成一种稳定且高效的负载型催化剂。

新型催化剂形成过程的CryoTEM/ET观测、KMC模拟以及PEMWE工况性能检测

高分子科学系徐一飞青年研究员利用冷冻透射电镜(CryoTEM)以及冷冻电子断层扫描技术(CryoET)，通过时间分辨的合成过程，清楚地看到“芝麻”颗粒的生长和嵌入过程，进而能够更好地控制生长速度。

团队负责人表示，研究团队进一步对该催化剂进行了长达6000小时的PEMWE工况测试，结果显示，熟化诱导嵌入方法有效防止了铱颗粒的溶解、脱落和团聚，显著提高了催化剂在长期运行中的活性和稳定性；在电流密度达到3A/cm²时，使用该催化剂的电池电压低至1.72V，电压衰减率仅为1.3μV/h，而膜电极中的贵金属负载总量仅为0.4g/cm²，全面超出相关国际标准（如美国国家能源局2026设计指标）。根据实验结果估算，由此制备出来的PEMWE设备寿命高达15年以上。

氢能应用将更加广阔

随着全球应对气候变化和能源转型的压力日益加剧，绿色氢气作为一种高效、可持续的能源载体，越来越受到关注。该团队向上证报记者介绍，绿氢有三种基本用途：一是作为能源载体，可以作为风力发电、光伏发电等间歇式发电的储能介质；二是作为还原性燃料，能替代化石燃料，应用于钢铁冶金、工业、交通和电力领域；三是作为基本化学物质，与工业排放的二氧化碳反应变成甲醇、乙烯、乙醇甚至航空燃油等高附加值化学品。这三种属性在推动碳中和目标实现的过程中具有至关重要的作用。氢气被广泛认为是未来能源系统的重要组成部分，特别是在支持能源多样化、减少温室气体排放和推动碳中和目标方面。

未来，研究团队计划进一步基于自主建立的催化剂设计与合成平台，以及CryoTEM、原位拉曼、全原子KMC模拟等先进研究手段，拓展低成本、高活性、高稳定性的催化剂材料的研究，为绿色氢气生产提供更多创新方案。研究团队还计划依托复旦大学孵化的山海氢（上海）新能源科技有限公司，进一步推广成熟技术的产品化落地，推动我国绿氢技术的发展。

来源：上海证券报