自2024年7月以來，材化學(xué)院化學(xué)系青年教師楊偉偉聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院陳慶軍教授、材化學(xué)院楊光智教授、新加坡國(guó)立大學(xué)趙明助理教授和阿德萊德大學(xué)林靖愷博士連續(xù)在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie）期刊發(fā)表3項(xiàng)研究成果。
面對(duì)2024年全球平均二氧化碳（CO2）排放量創(chuàng)歷史新高，較上年增長(zhǎng)0.9%，總計(jì)36.3億噸，不利于全球“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)。由于氫氣（H2）的燃燒產(chǎn)物只有水，不產(chǎn)生CO2，而且H2的質(zhì)量能量密度高達(dá)33.6-39.4 kWh/kg，是汽油的2.7-3.3倍。電解水產(chǎn)氫具有原料來源廣泛（原料為水）、氫氣純度高（99.9%以上）和應(yīng)用場(chǎng)景靈活多變等優(yōu)勢(shì)，符合我國(guó)對(duì)于氫能發(fā)展規(guī)劃的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略。而當(dāng)前限制電解水產(chǎn)氫進(jìn)一步發(fā)展的主要原因是成本問題——主要包括消耗電能成本和設(shè)備成本。其中，通過加入催化劑降低電解水產(chǎn)氫的電位可以進(jìn)一步降低電能成本，成為推動(dòng)電解水進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化的可持續(xù)解決方案。然而，傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜電解槽（PEMWEs）需要昂貴的鉑（US$41,780 /kg）和銥（US$60,670 /kg）等貴金屬，嚴(yán)重制約了電解水產(chǎn)氫的產(chǎn)業(yè)化推廣。
針對(duì)以上難題，楊偉偉等帶領(lǐng)研究生劉鑫洋、王志軍和雷鵠旭等創(chuàng)新性地采用以下方案：一是利用納米膠島效應(yīng)，通過原位定向生長(zhǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)單原子鉑在氧化鈰膠島表面局部密度的有效調(diào)控；二是采用價(jià)格相對(duì)低廉的釕（US$8,090/kg）代替鉑，通過硼和氧雙原子實(shí)現(xiàn)釕配位環(huán)境的有效調(diào)控與電子轉(zhuǎn)移；三是通過鎳原子摻雜二氧化釕和氧化鈷作為犧牲劑的策略，提高催化劑產(chǎn)氫效率的同時(shí)，有效抑制了二氧化釕的氧化溶解。
以上方案有效解決了電解水產(chǎn)氫技術(shù)成本高、效率低和循環(huán)壽命短的核心難題，實(shí)現(xiàn)了催化劑成本降低至25%，產(chǎn)氫效率提高了約13倍和連續(xù)循環(huán)運(yùn)行100h無衰減的功效。此外，通過引入鎳原子摻雜二氧化釕和氧化鈷異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1），進(jìn)一步降低了催化劑的過電位（η10 =195 mV）并提高了釕的溶解保持率（100 mg/cm2電流密度下循環(huán)20小時(shí)，保持率高達(dá)94.1%），實(shí)現(xiàn)活性與穩(wěn)定性的統(tǒng)一。在模擬實(shí)際工況AEMWEs測(cè)試中，催化劑在產(chǎn)氫電流密度為1 A/cm2時(shí)的電位僅為1.73 V，且釕貴金屬的載量?jī)H為0.1 mg/cm2，綜合性能優(yōu)于2024年美國(guó)能源部的具體要求（圖2）。
圖1 催化劑的合成與形貌表征
圖2 催化劑的析氫性能測(cè)試
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202406650
