氫能是關(guān)系國(guó)家未來的重大新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2050年，全球氫氣需求將達(dá)到約1億噸，其中大部分來源于綠氫。然而，在綠氫產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中占據(jù)重要地位的質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)（PEMWE），卻面臨催化劑性能問題的挑戰(zhàn)。想要滿足未來綠氫產(chǎn)業(yè)的需求，開發(fā)一種低成本、高效且穩(wěn)定的催化劑，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。
復(fù)旦大學(xué)張波、徐一飛、段賽、徐昕合作團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)造性的“熟化誘導(dǎo)嵌入方法”，合成了具有極高催化活性和穩(wěn)定性的銥/鈰嵌入式負(fù)載催化劑，在減少貴金屬用量的同時(shí)顯著提高了綠色氫氣的生成效率，為綠色氫能的可持續(xù)發(fā)展奠定了新基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于2月14日發(fā)表在《科學(xué)》上。
在綠氫的生產(chǎn)過程中，PEMWE電解水技術(shù)是當(dāng)前最為前沿的技術(shù)之一。PEMWE依賴于析氧反應(yīng)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，銥和其氧化物是唯一可以在PEMWE陽極的強(qiáng)酸性環(huán)境下穩(wěn)定工作的催化劑，但其高昂的成本和稀缺性限制了其大規(guī)模應(yīng)用。此外，現(xiàn)有的銥基催化劑因催化活性和穩(wěn)定性有限，尚無法滿足未來綠氫產(chǎn)業(yè)的需求。
“這是因?yàn)楝F(xiàn)有的催化劑看上去就像我們?cè)绮统缘穆榍颍?lsquo;麻球’表面的‘芝麻’就是氧化銥，正是這些‘芝麻’在發(fā)揮催化作用。”張波打比方說，但這種結(jié)構(gòu)就導(dǎo)致電解水制氫過程中會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，不斷沖刷催化劑，使得“芝麻”易脫落。
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，那么氣泡再?zèng)_刷，‘芝麻’也不會(huì)輕易脫落。”如此，就能顯著提升綠氫制備過程中的反應(yīng)效率和催化活性，同時(shí)減少銥的使用量。
在“麻球”上“種芝麻”的想法提出后，研究團(tuán)隊(duì)通過嚴(yán)密的理論計(jì)算和先進(jìn)的電鏡原位觀測(cè)，尋找到了能夠讓“麻球”生長(zhǎng)的速度和表面“芝麻”生長(zhǎng)的速度相匹配的實(shí)驗(yàn)條件，然后利用納米晶體在超聲和加熱作用下發(fā)生自發(fā)長(zhǎng)大過程，將銥及其氧化物納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中，最終形成了一種穩(wěn)定高效的負(fù)載型催化劑。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該催化劑進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)6000小時(shí)的PEMWE工況測(cè)試顯示，熟化誘導(dǎo)嵌入方法有效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(zhǎng)期運(yùn)行中的活性和穩(wěn)定性。
據(jù)了解，未來研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步拓展低成本、高活性、高穩(wěn)定性的催化劑材料的研究，為綠色氫氣生產(chǎn)提供更多創(chuàng)新方案。此外，研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃依托復(fù)旦大學(xué)孵化的山海氫（上海）新能源科技有限公司，進(jìn)一步推廣技術(shù)落地產(chǎn)品化。
氫能是關(guān)系國(guó)家未來的重大新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2050年，全球氫氣需求將達(dá)到約1億噸，其中大部分來源于綠氫。然而，在綠氫產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中占據(jù)重要地位的質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)（PEMWE），卻面臨催化劑性能問題的挑戰(zhàn)。想要滿足未來綠氫產(chǎn)業(yè)的需求，開發(fā)一種低成本、高效且穩(wěn)定的催化劑，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。
復(fù)旦大學(xué)張波、徐一飛、段賽、徐昕合作團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)造性的“熟化誘導(dǎo)嵌入方法”，合成了具有極高催化活性和穩(wěn)定性的銥/鈰嵌入式負(fù)載催化劑，在減少貴金屬用量的同時(shí)顯著提高了綠色氫氣的生成效率，為綠色氫能的可持續(xù)發(fā)展奠定了新基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于2月14日發(fā)表在《科學(xué)》上。
在綠氫的生產(chǎn)過程中，PEMWE電解水技術(shù)是當(dāng)前最為前沿的技術(shù)之一。PEMWE依賴于析氧反應(yīng)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，銥和其氧化物是唯一可以在PEMWE陽極的強(qiáng)酸性環(huán)境下穩(wěn)定工作的催化劑，但其高昂的成本和稀缺性限制了其大規(guī)模應(yīng)用。此外，現(xiàn)有的銥基催化劑因催化活性和穩(wěn)定性有限，尚無法滿足未來綠氫產(chǎn)業(yè)的需求。
“這是因?yàn)楝F(xiàn)有的催化劑看上去就像我們?cè)绮统缘穆榍颍?lsquo;麻球’表面的‘芝麻’就是氧化銥，正是這些‘芝麻’在發(fā)揮催化作用。”張波打比方說，但這種結(jié)構(gòu)就導(dǎo)致電解水制氫過程中會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，不斷沖刷催化劑，使得“芝麻”易脫落。
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，那么氣泡再?zèng)_刷，‘芝麻’也不會(huì)輕易脫落。”如此，就能顯著提升綠氫制備過程中的反應(yīng)效率和催化活性，同時(shí)減少銥的使用量。
在“麻球”上“種芝麻”的想法提出后，研究團(tuán)隊(duì)通過嚴(yán)密的理論計(jì)算和先進(jìn)的電鏡原位觀測(cè)，尋找到了能夠讓“麻球”生長(zhǎng)的速度和表面“芝麻”生長(zhǎng)的速度相匹配的實(shí)驗(yàn)條件，然后利用納米晶體在超聲和加熱作用下發(fā)生自發(fā)長(zhǎng)大過程，將銥及其氧化物納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中，最終形成了一種穩(wěn)定高效的負(fù)載型催化劑。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該催化劑進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)6000小時(shí)的PEMWE工況測(cè)試顯示，熟化誘導(dǎo)嵌入方法有效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(zhǎng)期運(yùn)行中的活性和穩(wěn)定性。
據(jù)了解，未來研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步拓展低成本、高活性、高穩(wěn)定性的催化劑材料的研究，為綠色氫氣生產(chǎn)提供更多創(chuàng)新方案。此外，研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃依托復(fù)旦大學(xué)孵化的山海氫（上海）新能源科技有限公司，進(jìn)一步推廣技術(shù)落地產(chǎn)品化。
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