太瓦級(jí)質(zhì)子交換膜水電解槽(PEMWE)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展需要開發(fā)低成本、長(zhǎng)壽命的高效析氧催化劑。目前，大多數(shù)活性銥(Ir)催化劑的穩(wěn)定性受到Ir物質(zhì)的溶解、再沉積、脫離和聚集的損害。

2025年2月13日，復(fù)旦大學(xué)張波、徐一飛、段賽、徐昕共同通訊在Science在線發(fā)表題為“Ultrastable supported oxygen evolution electrocatalyst formed by ripening-induced embedding”的研究論文，該研究開發(fā)了一種熟化誘導(dǎo)嵌入形成的超穩(wěn)定析氧反應(yīng)電催化劑。

此外，2025年2月12日，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝、高悅共同通訊在Nature在線發(fā)表題為“External Li supply reshapes Li deficiency and lifetime limit of batteries”的研究論文，該研究發(fā)現(xiàn)成功設(shè)計(jì)了一種鋰載體分子，讓廢舊電池“打一針”就可無(wú)損修復(fù)，將鋰電池壽命提升 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)，為電池產(chǎn)業(yè)變革提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

水電解可以將從可再生但間歇性的太陽(yáng)能或風(fēng)能中獲得的電力轉(zhuǎn)化為“綠色”(即環(huán)境可持續(xù)的)氫。大規(guī)模且經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)綠色氫被認(rèn)為是未來(lái)碳排放為零的清潔能源產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。目前，質(zhì)子交換膜水電解器(PEMWE)因其高電流密度、快速系統(tǒng)響應(yīng)和低氣體滲透率而脫穎而出，成為最有前途的綠色制氫技術(shù)。PEMWE功能的核心是陽(yáng)極析氧反應(yīng)(OER)，它為PEMWE提供所需的質(zhì)子和電子。OER催化劑活性和穩(wěn)定性的提高對(duì)裝置的整體效率和經(jīng)濟(jì)可行性有著深遠(yuǎn)的影響。氧化銥(IrOx)是迄今為止唯一可以在PEMWE中連續(xù)工作的實(shí)用OER催化劑。然而，Ir的高成本[>每克180美元(8)]和稀缺儲(chǔ)備[地殼中只有百萬(wàn)分之3×106]對(duì)未來(lái)太瓦級(jí)PEMWE的部署構(gòu)成了巨大障礙。

為了提高催化劑的活性和穩(wěn)定性，同時(shí)降低Ir含量，已經(jīng)探索了各種方法，例如合金化和與鈣鈦礦或混合氧化物復(fù)合。一種有效且常用的策略是將具有高表面積的IrOx納米顆粒(NPs)裝載到不同的載體上，通常是金屬氧化物。由于強(qiáng)烈的催化劑-載體相互作用調(diào)節(jié)了Ir的電子結(jié)構(gòu)及其對(duì)OER中間體的吸附能，所得負(fù)載型催化劑的活性通常與純IrOx相當(dāng)或甚至優(yōu)于純IrOx。這種策略提高了PEMWE的性能，在電流密度為2 A cm、Ir負(fù)載小于0.5mg cm2的情況下，電池電壓小于1.9V。然而，負(fù)載型催化劑面臨的主要挑戰(zhàn)是穩(wěn)定性；即使在Ir負(fù)載< 0.5mg cm2的情況下，電池電壓下降率的最佳報(bào)告結(jié)果仍保持在100mV·小時(shí)-1，這比美國(guó)能源部(DOE)為2026年設(shè)定的2.3mV·小時(shí)-1的宏偉目標(biāo)高出約50倍。

熟化誘導(dǎo)嵌入式催化劑的設(shè)計(jì)示意圖（圖源自Science）

研究人員提出了一種成熟誘導(dǎo)的嵌入策略，將紅外催化劑安全地嵌入氧化鈰載體中。低溫電子斷層掃描和全原子動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅模擬顯示，通過超聲處理調(diào)節(jié)的載體生長(zhǎng)速率與Ir成核速率的同步是成功合成的關(guān)鍵。使用這種催化劑的PEMWE在每平方厘米3安培的電流密度下獲得1.72伏的電池電壓，Ir負(fù)載僅為每平方厘米0.3毫克，電壓退化速率為每小時(shí)1.33微伏，如6000小時(shí)加速老化測(cè)試所示。

參考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3149

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08465-y