低貴催化辟新徑?綠氫制造賦新能
質(zhì)子交換膜水電解制氫(PEMWE)由于具有低能耗、寬功率波動和高動態(tài)響應等突出優(yōu)勢,被認為是耦合可再生能源綠電制綠氫的優(yōu)選技術(shù),但高度依賴高用量鉑族金屬(目前陰極Pt和陽極Ir用量分別為0.3-0.5和1-1.5 mg/cm2),嚴重制約了其規(guī)模應用。近日,中國科學院上海高等研究院綠色氫能團隊在PEMWE低貴金屬催化領(lǐng)域取得重要進展,在陰極低Pt、陽極低Ir催化劑研究與電解池應用方面取得新突破,相關(guān)成果為綠氫制備降本增效提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

在陰極催化劑研究方面,研究團隊通過自發(fā)沉積,在部分氧化的Ru納米粒子表面合成了Cl配體和Ru協(xié)同穩(wěn)定的Pt單原子催化劑(Pt1Cl0.5/Ru-NPs@RuOx),該催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的析氫反應(HER)性能。HER過電位僅13.2 mV(10 mA/cm2),遠低于商業(yè)Pt/C催化劑的35 mV。在PEMWE應用中,該催化劑Pt用量降至10 μg/cm2,采用Nafion 115膜在2 A/cm2電流密度下電解電壓為1.76 V,并在 1 A/cm2 下穩(wěn)定運行超 1000小時,且運行后 Pt 原子未見團聚。研究表明,Cl配體與Ru載體的協(xié)同作用形成穩(wěn)定的Pt-Cl-Pt配位結(jié)構(gòu),突破了Pt單原子催化劑器件應用穩(wěn)定性的瓶頸。相關(guān)結(jié)果發(fā)表Angewandte Chemie International Edition(論文DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202506619)上,文章的第一作者是中國科學院上海高等研究院博士研究生王乾森、上??萍即髮W博士研究生凌文慧,通訊作者為程慶慶、楊波、楊輝。

圖一:Pt1Cl0.5/Ru-NPs@RuOx催化劑HER本征活性及膜電極性能與穩(wěn)定性

圖二:原位光譜闡明活性位點動態(tài)演變機制
在陽極催化劑研究中,團隊通過硫摻雜改性 IrO2,成功實現(xiàn)氧析出反應(OER)路徑從傳統(tǒng)吸附演化機理向晶格氧機理的切換。硫摻雜誘導 IrO?晶格膨脹,形成非鍵氧態(tài)(ONB)作為電子犧牲劑,在提升催化活性的同時維持了Ir-O鍵級的穩(wěn)定性。采用該催化劑將Ir用量從常規(guī)的1.0~1.5降至0.3 mg/cm2,采用Nafion 115膜與GORE 80μm膜在 2.0 A/cm2 電密下電解電壓分別為1.77 與1.69 V,超過美國能源部2026年目標,且在1.0 A/cm2 下運行1000 小時電壓衰減率僅為 16.6 μV/h。
相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials上(論文DOI:https://doi.org/ 10.1002/adma.202507560),文章的第一作者是中國科學院上海高等研究院博士研究生楊晨璐,通訊作者為程慶慶、王國樑、楊輝。

圖三:硫摻雜對 IrO2/S 電催化性能的影響

圖四:OER反應路徑探究。
這兩項研究分別從陰極 Pt 單原子穩(wěn)定化和陽極 Ir 基催化劑機理調(diào)控出發(fā),顯著降低了 PEMWE 對貴金屬的依賴,為綠氫規(guī)?;a(chǎn)奠定了重要技術(shù)基礎。
附件下載: