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中國科學院長春應用化學研究所創新研發高效納米氫能催化材料助力綠氫產業升級

文章來源：新能源網更新時間：2025-08-11 16:31:49

在碳達峰和碳中和的大時代背景下，加快新能源產業發展必將帶動國家能源格局的變化。氫能是最具發展潛力的清潔能源，高效制氫屬于國際前沿研究課題。近年來，層出不窮的綠氫示范項目使我國已成為全球氫能發展的熱點和高地。其中，堿性電解水制氫系統已進入商業化運營階段，是實現可再生能源大規模制氫的重要方式。但是，產業的基礎創新能力、相關核心材料和技術水平的研發能力還有欠缺。因此，發展氫能，不僅基于市場需求，更基于國家發展。中國科學院長春應用化學研究所團隊面向國家戰略需求，瞄準國際前沿研究課題，以規則形貌調控與表界面修飾-自支撐納米復合體系構筑-氫能應用為主線，在發展并揭示了第六族金屬硫化物氫能材料及其催化機理、構筑第六族金屬硫化物陣列負載型異質結氫能材料體系和揭示活性位演變過程及穩定機制三方面取得了具有國際影響力的創新成果。該技術榮獲2024年度吉林省科學技術獎一等獎。

圖1. 發展并揭示第六族金屬硫化物氫能材料及其催化機理：（A）精準制備硫化物氫能納米點的代表性示意圖；（B）硫化鎢納米點和（C）硫化鉬納米點。

圖2. 構筑第六族金屬硫化物陣列負載型異質結氫能材料體系：（A）構筑硫化物陣列負載型異質結氫能材料的代表性示意圖；（B）陣列負載氫能材料電鏡圖；（C）硫化鉬/釕異質結電鏡圖;（D）硫化鎢/鎳@氧化鎳異質結電鏡圖和（E）陣列負載型異質結氫能材料的制氫示意圖。

圖 3. 揭示活性位演變過程及穩定機制：（A）陣列負載型催化材料的全電解水示意圖；（B）陣列負載硫化鉬/釕異質結的水電解機理解析；（C）釕（銥）摻雜鎳釩水滑石的水電解機理解析和（D）鎳、鐵和鋅三元金屬氫氧化物的原位拉曼光譜解析、缺陷產生過程、活性位中心及機理解析。

　　團隊利用表面活性劑具有降低水溶液表面張力和液體-蒸汽水界面能壘及減弱材料團聚驅動力的優勢，實現了硫化物納米點氫能材料的液相超聲剝離，發展了一種硫化物納米點氫能材料的普適性快速制備方法，突破了傳統硫化物納米點制備的局限性，引領了硫化物納米點材料的發展與應用。項目團隊進一步利用陣列材料所獨具的高導電性、高結構穩定性、高活性面積提高活性位點利用率及擴散傳質性能等優勢，創新性提出以陣列材料為載體合理設計和調控異質結結構的策略，實現了電子離子在界面處的快速轉移，構筑出第六族金屬硫化物陣列負載異質結氫能材料體系，推動了陣列負載型催化材料在能源領域的應用。此外，項目團隊對催化材料表界面的化學結構動態變化進行深入研究，揭示了活性位點的反應特性，確定了催化材料的結構-性能關系，最終闡明了催化反應本征動力學和反應機理。在此基礎上，項目團隊立足于化學和材料學科前沿，以國家重大戰略需求-氫能為牽引，開展跨學科、跨領域的能源電化學研究，在催化材料（異質結、應變、缺陷等）、理論和實踐方面取得了系統性創新研究成果。

　　納米催化技術作為前沿交叉學科的重要突破點，正在能源轉型、環境治理和生命健康等領域展現出變革性潛力。潔凈氫能在實現能源安全和"雙碳"戰略目標的過程中發揮著關鍵作用，作為氫能與燃料電池產業的核心技術支撐，催化劑性能直接決定著整個行業的發展水平。通過開發負載型催化材料的規模化制備工藝，不僅能夠有效推動綠色制氫技術的進步，還將顯著提升燃料電池性能和工業催化效率，為相關領域的產業化應用創造更廣闊的發展空間。(科學技術獎勵處）

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