绿氢新突破！成本降低80%，效率提升65%，复旦新型催化剂登上《科学》

来源: 文汇报


复旦大学团队近日在绿色氢气生产领域取得新突破，研发新型嵌入式催化剂，显著提升绿氢生产效率和稳定性。目前该成果已进入转化阶段，项目中试产线一期建设完成，可生产催化剂浆料和膜电极产品，服务光学、能源、半导体领域产业需求。该成果有望加速促进绿氢产业化进程，为绿色氢能的可持续发展奠定里程碑。2月14日，相关成果以《熟化诱导嵌入形成的超稳定析氧反应电催化剂》为题发表于《科学》主刊。

当前，PEMWE电解水技术是生产绿色氢气最前沿的技术之一，然而，其广泛应用仍面临诸多技术瓶颈，主要挑战之一便是催化剂的性能问题。目前采用的催化剂是铱及其氧化物（IrOₓ），其高昂的成本和稀缺性限制了大规模应用。同时，铱基催化剂的催化活性和稳定性，尚无法满足未来绿色氢能产业的需求。因此，开发一种低成本、高效且稳定的催化剂，成为全球学术界和工业界迫切需要解决的核心问题。

为此，复旦大学张波、徐一飞、段赛、徐昕合作团队创造性提出“熟化诱导嵌入方法”，合成了具有极高催化活性和稳定性的铱/铈嵌入式负载催化剂，在减少贵金属铱用量的同时，显著提高了绿色氢气的生成效率。与国内外竞品性能对比，新型催化剂比贵金属催化剂成本降低80%；能量效率提升65%；催化剂稳定性更好，加速老化实验数万小时无衰减。


熟化诱导嵌入式催化剂的设计思路示意图

张波打了一个形象的比方，“负载型催化剂看上去就像我们早餐吃的麻球，‘麻球’表面的‘芝麻’就是氧化铱，正是这些‘芝麻’在发挥催化作用。”但这种结构导致电解水制氢过程中会产生大量气泡，不断冲刷催化剂，让“芝麻”易脱落。为了解决这个问题，张波想到了牙齿的构造：“牙齿是种在牙床上的，如果把‘芝麻’一半嵌在麻球里，一半露在外面，那么气泡再冲刷，‘芝麻’也不会轻易脱落了。”

由此，实验团队与理论计算团队进一步合作。徐昕教授团队通过自主研发的算法及严密的理论计算，让“麻球”生长的速度和表面“芝麻”生长的速度相匹配，才能使其恰好达成一半在外一半嵌入的效果。

此外，尖端科研仪器的应用，使得催化剂合成生长过程能够“眼见为实”。青年研究员徐一飞利用冷冻透射电镜以及冷冻电子断层扫描技术,通过时间分辨的合成过程，清楚地看到“芝麻”颗粒怎么长大、怎么嵌入，进而能够实现更好地控制生长速度。


新型催化剂形成过程检测

测试结果显示，熟化诱导嵌入方法显著提高了催化剂在长期运行中的活性和稳定性，全面超过相关国际标准。根据实验结果估算，由此制备出来的PEMWE设备寿命高达15年以上。

张波表示，传统能源取决于家里有矿，新能源取决于工业制造能力。这一研究成果，标志着PEMWE技术在催化剂设计方面的重大突破，将大大推动绿色氢气产业化进程。随着PEMWE技术的不断发展，氢气的应用领域也将不断拓宽，从传统的工业领域到电动交通、分布式发电、能源存储等多个领域，氢能有望成为未来全球能源体系的支柱之一。

未来，基于自主建立的催化剂设计与合成平台及先进研究手段，研究团队计划进一步拓展催化剂材料研究，为绿色氢气生产提供更多创新方案。团队还依托复旦大学孵化的山海氢（上海）新能源科技有限公司，推广成熟技术的落地产品化。