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復旦大學開發新型嵌入式催化劑

文章來源：中國化工報更新時間：2025-02-21 16:05:05

將大幅提升質子交換膜電解水制氫效率

　　2月14日，復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程全國重點實驗室張波教授團隊、徐一飛青年研究員團隊聯合化學系徐昕教授團隊在《科學》雜志發表關于質子交換膜電解水裝置催化劑的最新研究成果。這一歷時3年研發的電解水制氫成果通過創造性的催化劑設計思路，大幅提高制氫效率和穩定性，為綠色氫能可持續發展提供技術支撐。

　　在綠氫生產過程中，質子交換膜電解水技術是當前最為前沿的技術之一。然而，該技術的應用仍面臨幾個技術瓶頸，其中最主要的挑戰之一便是催化劑。質子交換膜電解水依賴于析氧反應(OER)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。目前銥及其氧化物是唯一可以在電解水高酸性環境下穩定工作的催化劑。銥價格昂貴、探明儲量有限，銥基催化劑的催化活性和穩定性無法滿足未來綠色氫能產業的需求。

　　因此，開發一種低成本、高效、穩定的OER催化劑，成為全球學術界和工業界迫切需要解決的問題。為突破這一瓶頸，張波團隊提出一種創新的催化劑設計方案——將氧化銥納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中，形成一種穩定且高效的負載型催化劑，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，研究團隊利用納米晶體在超聲和加熱作用下發生的熟化過程，通過構建載體生長速率和催化劑成核速率的匹配關系，將氧化銥納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中，形成一種穩定且高效的負載型催化劑，從而大幅提升催化的效率和穩定性。

　　對該催化劑進行長達6000小時的工況測試結果表明，嵌入式催化劑有效地防止了銥顆粒的溶解、脫落和團聚，提高了催化劑在長期運行中的活性和穩定性。在綠氫制備的工業級電流密度(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，膜電極中的貴金屬負載總量僅為0.4克/平方厘米。根據實驗結果估算，由此制備出來的產品壽命高達15年。

　　“當前，由于催化劑成本較高，質子交換膜電解水制氫技術在國內只有3%的市場占有率，而國外則達到了47%。”張波表示，在此次成果基礎上，研究團隊將致力于將基礎研究與產業應用緊密結合，聯合企業開展成果轉化，提升國內質子交換膜電解水技術的市場份額，助力電解水行業降本增效。

　　未來，研究團隊將進一步基于自主建立的中試生產線以及CryoTEM、原位拉曼、全原子KMC模擬等先進研究手段，拓展低成本、高活性、高穩定性的催化劑材料的持續研究，為綠色氫氣生產提供更多創新方案，并進一步優化質子交換膜電解水系統的其他組件，提高系統整體性能和經濟性。

　　電解水制氫系統上接規?；墓夥L電儲氫，下接工業深度脫碳，有望成為未來全球能源體系的重要組成部分。

　　在上游產氫端，風力、光伏發電與核電、火電等，由于受到季節和氣候限制，是間歇式發電，不能直接并入國家電網。而電解水制氫系統可以彌補這一短板，將多余電能及時轉化為化學能，實現跨季節、規?；娜嵝詢δ?。

　　在下游脫碳端，二氧化碳可以和氫氣結合制備甲醇、乙烯等化學品。從這個角度來看，產生二氧化碳排放的行業，例如水泥、鋼鐵、石油化工、煤化工等，都可以運用電解水制氫系統產生綠氫，耦合二氧化碳變成高附加值化學品，推動整個工業深度脫碳。

　　長遠來看，隨著電解水制氫技術的不斷發展，氫氣的應用領域也將不斷拓寬，從傳統的工業領域到電動交通、分布式發電、能源存儲等多個領域，加快全球能源綠色化進程。

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