電催化水分解制氫技術(shù)獲突破

記者8月9日從南開(kāi)大學(xué)獲悉，該校電子信息與光學(xué)工程學(xué)院羅景山教授團隊聯(lián)合西班牙巴斯克大學(xué)科研團隊，在電催化水分解制氫研究中取得重要進(jìn)展。該聯(lián)合團隊利用金屬載體相互作用，構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定運行超過(guò)1000小時(shí)，滿(mǎn)足了陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)商業(yè)化應用的需求。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，在全球能源轉型和應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(guò)程中不產(chǎn)生溫室氣體，被視為實(shí)現碳中和目標的重要路徑之一。

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?？焖俚葍?yōu)勢，但在大電流密度下電解槽系統穩定性不足的問(wèn)題限制了其產(chǎn)業(yè)化應用。因此，開(kāi)發(fā)大電流密度下壽命長(cháng)、性能穩定的堿性析氫催化劑，是AEM制氫技術(shù)亟待解決的核心問(wèn)題之一。

“當前的電解水過(guò)程大多使用鉑基材料作為析氫反應催化劑，其性能優(yōu)良但成本較高。釕作為價(jià)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(mǎn)足大規模商業(yè)化應用的需要，是我們團隊攻關(guān)的核心問(wèn)題。”

載體和金屬的相互作用，會(huì )極大地影響催化劑性能。團隊研究發(fā)現，釕納米顆粒與氮化鈦載體之間具有強相互作用，能有效調節釕納米顆粒的電子結構，優(yōu)化氫中間體的吸附能力，提高催化活性。

“我們使用氮化鈦負載的釕納米顆粒催化劑作為析氫反應催化劑組裝了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(shí)現了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定運行超過(guò)1000小時(shí)，性能幾乎沒(méi)有衰減。”論文第一作者、南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院2021級博士生趙佳說(shuō)。

“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A(yíng)EM電解槽中高效穩定運行，滿(mǎn)足了AEM制氫大規模商業(yè)化應用的需求。”羅景山說(shuō)。