復(fù)旦大學(xué)開發(fā)新型嵌入式催化劑
文章來(lái)源：中國(guó)化工報(bào) 更新時(shí)間：2025-02-21 16:05:05
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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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)法滿足未來(lái)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(wèn)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(guò)程，通過(guò)構(gòu)建載體生長(zhǎng)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(duì)該催化劑進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)6000小時(shí)的工況測(cè)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(zhǎng)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?jī)H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(lái)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(guó)內(nèi)只有3%的市場(chǎng)占有率，而國(guó)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(guó)內(nèi)質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)的市場(chǎng)份額，助力電解水行業(yè)降本增效。
未來(lái)，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(lái)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(guó)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(lái)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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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