复旦大学最新突破性成果：合成提升绿色氢气生产效率的新型嵌入式催化剂

抖音推荐 2025年02月14日 11:45 2 admin

近日，复旦大学张波、徐一飞、段赛、徐昕合作团队通过采用熟化诱导嵌入技术，在载体的生长和活性组分的成核过程中实现同步控制，使得贵金属纳米颗粒嵌入金属氧化物载体中，显著增强了催化剂的稳定性，解决了贵金属纳米颗粒溶解、脱落、团聚等难题。2月14日，相关成果以《熟化诱导嵌入形成的超稳定析氧反应电催化剂》为题，发表于《科学》（Science）主刊。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。

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。在绿色氢气的生产过程中，PEMWE电解水技术是当前最为前沿的技术之一，其高效分解水产生氢气的能力使其在全球绿色氢能的产业化进程中占据重要地位。

当前，PEMWE技术的广泛应用仍面临几个技术瓶颈，其中最主要的挑战之一便是催化剂的性能问题。目前，铱及其氧化物（IrOₓ）是唯一可以在PEMWE阳极的强酸性环境下稳定工作的催化剂，但由于铱的价格非常昂贵，并且其在地壳中的储量极为有限，这对大规模部署PEMWE系统构成了巨大的经济障碍，无法满足未来绿色氢能产业的需求。

为了突破这一瓶颈，复旦大学的研究团队提出了一种创新的嵌入式负载型催化剂设计方案，显著提升了效率和催化活性，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？张波想到了牙齿：“牙齿是种在牙床上的，如果把‘芝麻’一半嵌在麻球里，一半露在外面，那么气泡再冲刷，‘芝麻’也不会轻易脱落了。”

在“麻球”上“种芝麻”的想法提出后，化学系徐昕教授团队通过自主研发的算法，通过严密的理论计算让“麻球”生长的速度和表面“芝麻”生长的速度相匹配，才能使其恰好达成一半在外一半嵌入的效果。否则，如果二者的生长速度失衡，“芝麻”可能就被“麻球”全部吞掉，或者只粘附了一点、导致脱落风险增加，大大加速了预测材料合成的时间。进一步，研究团队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。

这时，尖端科研仪器的应用，使得催化剂合成生长过程能够“眼见为实”。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”颗粒怎么长大、怎么嵌入，进而能够实现更好地控制生长速度。观测结果和全原子动态蒙特卡洛（KMC）方法的模拟结果相互映证，揭示了超声和加热可以有效加快载体的生长速率。由此实现了载体生长和催化剂成核速率之间的匹配，确认了合成策略的有效性。

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，各项指标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。根据国际能源署（IEA）的预测，到2050年，全球氢气需求将达到约亿吨以上，其中大部分来源于绿色氢气。复旦大学的这一研究成果无疑为实现这一目标提供了新的技术支撑。