記者8月9日從南開大學(xué)獲悉，該校電子信息與光學(xué)工程學(xué)院羅景山教授團(tuán)隊聯(lián)合西班牙巴斯克大學(xué)科研團(tuán)隊，在電催化水分解制氫研究中取得重要進(jìn)展。該聯(lián)合團(tuán)隊利用金屬載體相互作用，構(gòu)筑了堿性條件高活性析氫催化劑，能夠在每平方厘米5安培的大電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過1000小時，滿足了陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的需求。相關(guān)成果近日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。

氫能作為一種低碳高效的清潔能源，在全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對氣候變化方面扮演重要角色。按照制氫的三種方法，氫能可分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫。其中，以可再生能源電解水制氫為代表的綠氫在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生溫室氣體，被視為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要路徑之一。

目前，堿性電解水(ALK)和質(zhì)子交換膜電解水(PEM)兩種電解水制氫技術(shù)占比較高，而陰離子交換膜(AEM)制氫技術(shù)被認(rèn)為是集ALK與PEM優(yōu)勢于一體的第三代電解水制氫技術(shù)。AEM具有效率高、成本低、啟停快速等優(yōu)勢，但在大電流密度下電解槽系統(tǒng)穩(wěn)定性不足的問題限制了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。因此，開發(fā)大電流密度下壽命長、性能穩(wěn)定的堿性析氫催化劑，是AEM制氫技術(shù)亟待解決的核心問題之一。

“當(dāng)前的電解水過程大多使用鉑基材料作為析氫反應(yīng)催化劑，其性能優(yōu)良但成本較高。釕作為價格較低的貴金屬，具有高催化活性和良好的耐久性，是鉑的理想替代品。”羅景山介紹，“已被報道的堿性條件下釕基析氫催化劑大多是在低電流密度下測試。催化劑如何能夠在大電流密度下保持高性能，從而滿足大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的需要，是我們團(tuán)隊攻關(guān)的核心問題。”

載體和金屬的相互作用，會極大地影響催化劑性能。團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，釕納米顆粒與氮化鈦載體之間具有強(qiáng)相互作用，能有效調(diào)節(jié)釕納米顆粒的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氫中間體的吸附能力，提高催化活性。

“我們使用氮化鈦負(fù)載的釕納米顆粒催化劑作為析氫反應(yīng)催化劑組裝了AEM電解槽，在每平方厘米0.5安培、1安培和2安培的電流密度下分別實現(xiàn)了70.1%、64.3%和58.0%的能量效率，并能在每平方厘米1安培、2安培和5安培的電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過1000小時，性能幾乎沒有衰減。”論文第一作者、南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院2021級博士生趙佳說。

“在每平方厘米5安培的工業(yè)級電流密度下，我們研發(fā)的催化劑能夠在AEM電解槽中高效穩(wěn)定運(yùn)行，滿足了AEM制氫大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的需求。”羅景山說。