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來源: 文匯報 復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊近日在綠色氫氣生產(chǎn)領(lǐng)域取得新突破，研發(fā)新型嵌入式催化劑，顯著提升綠氫生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性。目前該成果已進(jìn)入轉(zhuǎn)化階段，項目中試產(chǎn)線一期建設(shè)完成，可生產(chǎn)催化劑漿料和膜電極產(chǎn)品，服務(wù)光學(xué)、能源、半導(dǎo)體領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)需求。該成果有望加速促進(jìn)綠氫產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，為綠色氫能的可持續(xù)發(fā)展奠定里程碑。2月14日，相關(guān)成果以《熟化誘導(dǎo)嵌入形成的超穩(wěn)定析氧反應(yīng)電催化劑》為題發(fā)表于《科學(xué)》主刊。 當(dāng)前，PEMWE電解水技術(shù)是生產(chǎn)綠色氫氣最前沿的技術(shù)之一，然而，其廣泛應(yīng)用仍面臨諸多技術(shù)瓶頸，主要挑戰(zhàn)之一便是催化劑的性能問題。目前采用的催化劑是銥及其氧化物（IrOₓ），其高昂的成本和稀缺性限制了大規(guī)模應(yīng)用。同時，銥基催化劑的催化活性和穩(wěn)定性，尚無法滿足未來綠色氫能產(chǎn)業(yè)的需求。因此，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。 為此，復(fù)旦大學(xué)張波、徐一飛、段賽、徐昕合作團(tuán)隊創(chuàng)造性提出“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，在減少貴金屬銥用量的同時，顯著提高了綠色氫氣的生成效率。與國內(nèi)外競品性能對比，新型催化劑比貴金屬催化劑成本降低80%；能量效率提升65%；催化劑穩(wěn)定性更好，加速老化實驗數(shù)萬小時無衰減。 
熟化誘導(dǎo)嵌入式催化劑的設(shè)計思路示意圖 張波打了一個形象的比方，“負(fù)載型催化劑看上去就像我們早餐吃的麻球，‘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。”但這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電解水制氫過程中會產(chǎn)生大量氣泡，不斷沖刷催化劑，讓“芝麻”易脫落。為了解決這個問題，張波想到了牙齒的構(gòu)造：“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，那么氣泡再沖刷，‘芝麻’也不會輕易脫落了。” 由此，實驗團(tuán)隊與理論計算團(tuán)隊進(jìn)一步合作。徐昕教授團(tuán)隊通過自主研發(fā)的算法及嚴(yán)密的理論計算，讓“麻球”生長的速度和表面“芝麻”生長的速度相匹配，才能使其恰好達(dá)成一半在外一半嵌入的效果。 此外，尖端科研儀器的應(yīng)用，使得催化劑合成生長過程能夠“眼見為實”。青年研究員徐一飛利用冷凍透射電鏡以及冷凍電子斷層掃描技術(shù),通過時間分辨的合成過程，清楚地看到“芝麻”顆粒怎么長大、怎么嵌入，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)更好地控制生長速度。 
新型催化劑形成過程檢測 測試結(jié)果顯示，熟化誘導(dǎo)嵌入方法顯著提高了催化劑在長期運(yùn)行中的活性和穩(wěn)定性，全面超過相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實驗結(jié)果估算，由此制備出來的PEMWE設(shè)備壽命高達(dá)15年以上。 張波表示，傳統(tǒng)能源取決于家里有礦，新能源取決于工業(yè)制造能力。這一研究成果，標(biāo)志著PEMWE技術(shù)在催化劑設(shè)計方面的重大突破，將大大推動綠色氫氣產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。隨著PEMWE技術(shù)的不斷發(fā)展，氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓寬，從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域到電動交通、分布式發(fā)電、能源存儲等多個領(lǐng)域，氫能有望成為未來全球能源體系的支柱之一。 未來，基于自主建立的催化劑設(shè)計與合成平臺及先進(jìn)研究手段，研究團(tuán)隊計劃進(jìn)一步拓展催化劑材料研究，為綠色氫氣生產(chǎn)提供更多創(chuàng)新方案。團(tuán)隊還依托復(fù)旦大學(xué)孵化的山海氫（上海）新能源科技有限公司，推廣成熟技術(shù)的落地產(chǎn)品化。 |
