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復(fù)旦大學(xué)開發(fā)新型嵌入式催化劑
文章來源:中國化工報(bào)     更新時(shí)間:2025-02-21 16:05:05
        將大幅提升質(zhì)子交換膜電解水制氫效率
 
  2月14日,復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張波教授團(tuán)隊(duì)、徐一飛青年研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合化學(xué)系徐昕教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志發(fā)表關(guān)于質(zhì)子交換膜電解水裝置催化劑的最新研究成果。這一歷時(shí)3年研發(fā)的電解水制氫成果通過創(chuàng)造性的催化劑設(shè)計(jì)思路,大幅提高制氫效率和穩(wěn)定性,為綠色氫能可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。
 
  在綠氫生產(chǎn)過程中,質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)是當(dāng)前最為前沿的技術(shù)之一。然而,該技術(shù)的應(yīng)用仍面臨幾個(gè)技術(shù)瓶頸,其中最主要的挑戰(zhàn)之一便是催化劑。質(zhì)子交換膜電解水依賴于析氧反應(yīng)(OER)催化劑,這一催化過程的效率直接決定了整個(gè)電解水反應(yīng)的能效與經(jīng)濟(jì)性。目前銥及其氧化物是唯一可以在電解水高酸性環(huán)境下穩(wěn)定工作的催化劑。銥價(jià)格昂貴、探明儲(chǔ)量有限,銥基催化劑的催化活性和穩(wěn)定性無法滿足未來綠色氫能產(chǎn)業(yè)的需求。
 
  因此,開發(fā)一種低成本、高效、穩(wěn)定的OER催化劑,成為全球?qū)W術(shù)界和工業(yè)界迫切需要解決的問題。為突破這一瓶頸,張波團(tuán)隊(duì)提出一種創(chuàng)新的催化劑設(shè)計(jì)方案——將氧化銥納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中,形成一種穩(wěn)定且高效的負(fù)載型催化劑,將銥的用量降低85%,并且大幅提升催化效率,使器件整體能效提升了65%。
 
  具體而言,研究團(tuán)隊(duì)利用納米晶體在超聲和加熱作用下發(fā)生的熟化過程,通過構(gòu)建載體生長速率和催化劑成核速率的匹配關(guān)系,將氧化銥納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中,形成一種穩(wěn)定且高效的負(fù)載型催化劑,從而大幅提升催化的效率和穩(wěn)定性。
 
  對該催化劑進(jìn)行長達(dá)6000小時(shí)的工況測試結(jié)果表明,嵌入式催化劑有效地防止了銥顆粒的溶解、脫落和團(tuán)聚,提高了催化劑在長期運(yùn)行中的活性和穩(wěn)定性。在綠氫制備的工業(yè)級(jí)電流密度(3安/平方厘米)下,該催化劑的電池電壓低至1.72伏,電壓衰減率僅為1.3微伏/時(shí),膜電極中的貴金屬負(fù)載總量僅為0.4克/平方厘米。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算,由此制備出來的產(chǎn)品壽命高達(dá)15年。
 
  “當(dāng)前,由于催化劑成本較高,質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)在國內(nèi)只有3%的市場占有率,而國外則達(dá)到了47%。”張波表示,在此次成果基礎(chǔ)上,研究團(tuán)隊(duì)將致力于將基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合,聯(lián)合企業(yè)開展成果轉(zhuǎn)化,提升國內(nèi)質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)的市場份額,助力電解水行業(yè)降本增效。
 
  未來,研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步基于自主建立的中試生產(chǎn)線以及CryoTEM、原位拉曼、全原子KMC模擬等先進(jìn)研究手段,拓展低成本、高活性、高穩(wěn)定性的催化劑材料的持續(xù)研究,為綠色氫氣生產(chǎn)提供更多創(chuàng)新方案,并進(jìn)一步優(yōu)化質(zhì)子交換膜電解水系統(tǒng)的其他組件,提高系統(tǒng)整體性能和經(jīng)濟(jì)性。
 
  電解水制氫系統(tǒng)上接規(guī)模化的光伏風(fēng)電儲(chǔ)氫,下接工業(yè)深度脫碳,有望成為未來全球能源體系的重要組成部分。
 
  在上游產(chǎn)氫端,風(fēng)力、光伏發(fā)電與核電、火電等,由于受到季節(jié)和氣候限制,是間歇式發(fā)電,不能直接并入國家電網(wǎng)。而電解水制氫系統(tǒng)可以彌補(bǔ)這一短板,將多余電能及時(shí)轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)、規(guī)模化的柔性儲(chǔ)能。
 
  在下游脫碳端,二氧化碳可以和氫氣結(jié)合制備甲醇、乙烯等化學(xué)品。從這個(gè)角度來看,產(chǎn)生二氧化碳排放的行業(yè),例如水泥、鋼鐵、石油化工、煤化工等,都可以運(yùn)用電解水制氫系統(tǒng)產(chǎn)生綠氫,耦合二氧化碳變成高附加值化學(xué)品,推動(dòng)整個(gè)工業(yè)深度脫碳。
 
  長遠(yuǎn)來看,隨著電解水制氫技術(shù)的不斷發(fā)展,氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓寬,從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域到電動(dòng)交通、分布式發(fā)電、能源存儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域,加快全球能源綠色化進(jìn)程。
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