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突破电解水制氢瓶颈!浙大团队创制新型催化剂,1.54伏实现工业级产氢速率
文章来源:新能源网     更新时间:2025-09-04 15:19:59
研究背景

质子交换膜水电解(PEMWE)是制取高纯度“绿氢”的核心技术,但其大规模应用受限于阳极析氧反应(OER)的高能耗问题。传统催化剂在酸性环境中面临两大挑战:

  1. 高过电位:OER涉及多步质子-电子转移,脱质子过程能垒高;

  2. 活性位点失活:酸性电解质中质子浓度过高,导致活性位点被覆盖。
    浙江大学侯越团队联合国际研究组提出创新思路:通过设计共价有机框架(COF)材料构建定向氢键网络,调控催化剂-水界面微环境,从而加速质子传递并稳定反应中间体。

研究要点

1.材料设计
团队合成了一系列具有不同长度乙氧基侧链的乙烯基连接COF(COF-O(n),其中COF-O(3) 因含最长亲水链(三乙氧基),展现出:

  • 超高质子传导率:80℃下达396.8 mS/cm,比传统材料提升近4000倍;

  • 卓越酸稳定性:在12 M HCl中浸泡2天结构完好;

  • 有序孔道结构:层间距可调(0.31–0.39 nm),为质子传输提供通道。

2.催化机制创新
将COF-O(3)与商用RuO?复合后,通过原位光谱与理论计算发现:

  • 氢键网络定向水分子:COF的乙氧基与反应中间体(*OOH)形成氢键,将界面水分子锁定在“氧朝下”取向;

  • 稳定过渡态:该构象使脱质子能垒降低38%(从2.27 eV降至1.65 eV);

  • 抑制钌溶解:COF骨架向RuO?转移电子,防止活性组分氧化流失。

3.性能突破

  • 超低过电位:酸性OER仅需218 mV(10 mA/cm²),比商用RuO?低87 mV;

  • 工业级电解性能:PEMWE器件在1.54 V电压下实现1 A/cm²电流密度,能耗低至41 kWh/kgH?;

  • 创纪录稳定性:200 mA/cm²工业电流下连续运行>180小时,钌溶出率降低67%。

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