近年來，氫氣憑借零污染、高熱值等特性，成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要選項(xiàng)。《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》明確，加快氫能技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用，探索在工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)用。然而，氫能的大規(guī)模應(yīng)用仍面臨著成本高昂等諸多問題。
北京時(shí)間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（Science）發(fā)表關(guān)于質(zhì)子交換膜電解水裝置（PEMWE）催化劑的最新研究成果題為《熟化誘導(dǎo)嵌入形成的超穩(wěn)定析氧反應(yīng)電催化劑》。這一歷時(shí)三年研發(fā)的電解水制氫成果通過創(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。
在綠色氫氣的生產(chǎn)過程中，PEMWE電解水（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，其高效分解水產(chǎn)生氫氣的能力使其在全球綠色氫能的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中占據(jù)重要地位。然而，PEMWE技術(shù)的廣泛應(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。PEMWE依賴于析氧反應(yīng)（OER）催化劑，這一催化過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PEMWE高酸性環(huán)境下穩(wěn)定工作的催化劑。作為一種貴金屬，銥價(jià)格昂貴，這對(duì)大規(guī)模部署PEMWE電解水系統(tǒng)構(gòu)成了巨大的經(jīng)濟(jì)障礙。同時(shí)，銥基催化劑的催化活性和穩(wěn)定性尚無法滿足未來綠色氫能產(chǎn)業(yè)的需求。
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)界迫切需要解決的核心問題。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，將銥的用量降低了85%，并且大幅提升了催化效率，使器件整體能效提升了65%。
張波打了個(gè)比方：“形象地來說，負(fù)載型催化劑看上去就像我們?cè)绮统缘穆榍颉！榍颉砻娴摹ヂ椤褪茄趸灐Ｕ沁@些‘芝麻’在發(fā)揮催化作用。”但這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致一個(gè)問題——電解水制氫過程中會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，不斷沖刷催化劑，導(dǎo)致粘附在“麻球”上的“芝麻”很容易脫落，從而造成催化劑的失活。
如何才能讓“芝麻”不容易脫落？張波想到了牙齒：“牙齒是種在牙床上的。如果把‘芝麻’一半嵌在‘麻球’里，一半露在外面，那么即便氣泡再怎么沖刷，‘芝麻’也不會(huì)輕易脫落了。”
在“麻球”上“種芝麻”的想法提出后，還需要理論計(jì)算團(tuán)隊(duì)與實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的合作，才能“夢(mèng)想成真”。在PEMWE電解水制氫系統(tǒng)中，需要通過嚴(yán)密的理論計(jì)算讓“麻球”生長的速度和表面“芝麻”生長的速度相匹配，才能使其恰好達(dá)成一半在外一半嵌入的效果。徐昕教授團(tuán)隊(duì)通過自主研發(fā)的算法，實(shí)現(xiàn)了百萬原子級(jí)催化劑在數(shù)小時(shí)內(nèi)生長過程的精確理論模擬。
實(shí)驗(yàn)上，尖端科研儀器的應(yīng)用，使得催化劑合成生長過程能夠“眼見為實(shí)”。基于張波團(tuán)隊(duì)提出的假設(shè)，利用冷凍透射電鏡(CryoTEM)以及冷凍斷層掃描技術(shù)（CryoET），高分子科學(xué)系徐一飛青年研究員通過時(shí)間分辨的合成過程，清楚地看到“芝麻”顆粒怎么長大、怎么嵌入。
團(tuán)隊(duì)對(duì)催化劑在溶液中的形成過程及最終形貌進(jìn)行了原位高分辨三維觀測(cè)，有效確認(rèn)了該合成策略的有效性。對(duì)該催化劑進(jìn)行長達(dá)6000小時(shí)的PEMWE工況測(cè)試結(jié)果表明，合成的嵌入式催化劑有效地防止了銥顆粒的溶解、脫落和團(tuán)聚，顯著提高了催化劑在長期運(yùn)行中的活性和穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算，由此制備出來的產(chǎn)品壽命高達(dá)15年以上。
三年研發(fā)讓張波感受到學(xué)科交叉合作的重要性：“團(tuán)隊(duì)協(xié)作相當(dāng)重要，就像一個(gè)水桶，只有每塊板都很長，拼出來的水桶才足夠高。不同學(xué)科背景的團(tuán)隊(duì)發(fā)揮所長、共同攻關(guān)，最終方能解決復(fù)雜問題。”
本次研究成果將為實(shí)現(xiàn)我國以及全球碳中和目標(biāo)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(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PEMWE系統(tǒng)的其他組件，提高系統(tǒng)整體性能和經(jīng)濟(jì)性。張波說：“服務(wù)國家重大戰(zhàn)略，推進(jìn)全球能源綠色化，是我們團(tuán)隊(duì)一直以來的夢(mèng)想。希望科研成果不僅上‘書架’，更能上‘貨架’。”
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