太瓦級質子交換膜水電解槽(PEMWE)技術的未來發展需要開發低成本、長壽命的高效析氧催化劑。目前，大多數活性銥(Ir)催化劑的穩定性受到Ir物質的溶解、再沉積、脫離和聚集的損害。

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

此外，2025年2月12日，復旦大學彭慧勝、高悅共同通訊在Nature在線發表題為“External Li supply reshapes Li deficiency and lifetime limit of batteries”的研究論文，該研究發現成功設計了一種鋰載體分子，讓廢舊電池“打一針”就可無損修復，將鋰電池壽命提升 1-2 個數量級，為電池產業變革提供關鍵技術支撐。

水電解可以將從可再生但間歇性的太陽能或風能中獲得的電力轉化為“綠色”(即環境可持續的)氫。大規模且經濟高效地生產綠色氫被認為是未來碳排放為零的清潔能源產業的關鍵。目前，質子交換膜水電解器(PEMWE)因其高電流密度、快速系統響應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。PEMWE功能的核心是陽極析氧反應(OER)，它為PEMWE提供所需的質子和電子。OER催化劑活性和穩定性的提高對裝置的整體效率和經濟可行性有著深遠的影響。氧化銥(IrOx)是迄今為止唯一可以在PEMWE中連續工作的實用OER催化劑。然而，Ir的高成本[>每克180美元(8)]和稀缺儲備[地殼中只有百萬分之3×106]對未來太瓦級PEMWE的部署構成了巨大障礙。

為了提高催化劑的活性和穩定性，同時降低Ir含量，已經探索了各種方法，例如合金化和與鈣鈦礦或混合氧化物復合。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。由于強烈的催化劑-載體相互作用調節了Ir的電子結構及其對OER中間體的吸附能，所得負載型催化劑的活性通常與純IrOx相當或甚至優于純IrOx。這種策略提高了PEMWE的性能，在電流密度為2 A cm、Ir負載小于0.5mg cm2的情況下，電池電壓小于1.9V。然而，負載型催化劑面臨的主要挑戰是穩定性；即使在Ir負載< 0.5mg cm2的情況下，電池電壓下降率的最佳報告結果仍保持在100mV·小時-1，這比美國能源部(DOE)為2026年設定的2.3mV·小時-1的宏偉目標高出約50倍。

熟化誘導嵌入式催化劑的設計示意圖（圖源自Science）

研究人員提出了一種成熟誘導的嵌入策略，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力學蒙特卡羅模擬顯示，通過超聲處理調節的載體生長速率與Ir成核速率的同步是成功合成的關鍵。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負載僅為每平方厘米0.3毫克，電壓退化速率為每小時1.33微伏，如6000小時加速老化測試所示。

參考消息：

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

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