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來源: 文匯報 復旦大學團隊近日在綠色氫氣生產領域取得新突破，研發新型嵌入式催化劑，顯著提升綠氫生產效率和穩定性。目前該成果已進入轉化階段，項目中試產線一期建設完成，可生產催化劑漿料和膜電極產品，服務光學、能源、半導體領域產業需求。該成果有望加速促進綠氫產業化進程，為綠色氫能的可持續發展奠定里程碑。2月14日，相關成果以《熟化誘導嵌入形成的超穩定析氧反應電催化劑》為題發表于《科學》主刊。 當前，PEMWE電解水技術是生產綠色氫氣最前沿的技術之一，然而，其廣泛應用仍面臨諸多技術瓶頸，主要挑戰之一便是催化劑的性能問題。目前采用的催化劑是銥及其氧化物（IrOₓ），其高昂的成本和稀缺性限制了大規模應用。同時，銥基催化劑的催化活性和穩定性，尚無法滿足未來綠色氫能產業的需求。因此，開發一種低成本、高效且穩定的催化劑，成為全球學術界和工業界迫切需要解決的核心問題。 為此，復旦大學張波、徐一飛、段賽、徐昕合作團隊創造性提出“熟化誘導嵌入方法”，合成了具有極高催化活性和穩定性的銥/鈰嵌入式負載催化劑，在減少貴金屬銥用量的同時，顯著提高了綠色氫氣的生成效率。與國內外競品性能對比，新型催化劑比貴金屬催化劑成本降低80%；能量效率提升65%；催化劑穩定性更好，加速老化實驗數萬小時無衰減。 
熟化誘導嵌入式催化劑的設計思路示意圖 張波打了一個形象的比方，“負載型催化劑看上去就像我們早餐吃的麻球，‘麻球’表面的‘芝麻’就是氧化銥，正是這些‘芝麻’在發揮催化作用。”但這種結構導致電解水制氫過程中會產生大量氣泡，不斷沖刷催化劑，讓“芝麻”易脫落。為了解決這個問題，張波想到了牙齒的構造：“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，那么氣泡再沖刷，‘芝麻’也不會輕易脫落了。” 由此，實驗團隊與理論計算團隊進一步合作。徐昕教授團隊通過自主研發的算法及嚴密的理論計算，讓“麻球”生長的速度和表面“芝麻”生長的速度相匹配，才能使其恰好達成一半在外一半嵌入的效果。 此外，尖端科研儀器的應用，使得催化劑合成生長過程能夠“眼見為實”。青年研究員徐一飛利用冷凍透射電鏡以及冷凍電子斷層掃描技術,通過時間分辨的合成過程，清楚地看到“芝麻”顆粒怎么長大、怎么嵌入，進而能夠實現更好地控制生長速度。
新型催化劑形成過程檢測 測試結果顯示，熟化誘導嵌入方法顯著提高了催化劑在長期運行中的活性和穩定性，全面超過相關國際標準。根據實驗結果估算，由此制備出來的PEMWE設備壽命高達15年以上。 張波表示，傳統能源取決于家里有礦，新能源取決于工業制造能力。這一研究成果，標志著PEMWE技術在催化劑設計方面的重大突破，將大大推動綠色氫氣產業化進程。隨著PEMWE技術的不斷發展，氫氣的應用領域也將不斷拓寬，從傳統的工業領域到電動交通、分布式發電、能源存儲等多個領域，氫能有望成為未來全球能源體系的支柱之一。 未來，基于自主建立的催化劑設計與合成平臺及先進研究手段，研究團隊計劃進一步拓展催化劑材料研究，為綠色氫氣生產提供更多創新方案。團隊還依托復旦大學孵化的山海氫（上海）新能源科技有限公司，推廣成熟技術的落地產品化。 |
