“多謝大家的堅持，在經費短缺、前途不明的極端惡劣情況下，吃著我畫的大餅硬是撐到了現在。不知道工業界原來這么好玩。”談及自籌經費發在Science的論文，四川大學教授康毅進告訴 DeepTech。

研究中，他和團隊造出一種鉭摻雜氧化釕催化劑，目前已實現工業級量產，實測壽命近 3000 小時。

圖 | 康毅進同時也是一名飛行員（來源：康毅進）

康毅進表示，石油以及天然氣化石能源屬于地球上的資源儲備，其儲量比較有限。為了人類更長遠的未來，我們必須尋找可持續的能源。

長期來看，太陽能是我們的最可靠選擇（風能也是太陽能的另外一種形式），而太陽能的時間和地域分布要求有一個能源載體來實現隨時隨地的能源需求。

水氫循環由于其無碳排放的閉合循環好處多多，加上大自然的啟示（太陽就是一個大氫彈、水是生命之源），人們發現氫是一個近乎完美的能源載體。

“十四五”、《氫能產業發展中長期規劃》、“雙碳”目標等文件的發布，體現了國家大力發展清潔能源體系的國家意志，其中氫能體系為主要建設目標之一。各大國企、央企集中上馬氫能項目，據不完全統計有三分之一的國企央企參與了氫能相關項目。

我國是一個氫氣需求大國，目前年需求為 3000 多萬噸，至 2060 年我國氫氣年需求量預計將增至 1.3 億噸左右，若以現有以化石能源為主的氫能供給結構測算，需排放 12-18 億噸二氧化碳，違背氫能發展初衷。這就意味著未來的氫氣供給，必然是基于電解水制氫的綠氫。

目前綠氫制備主要有三大技術：堿水體系、質子膜、陰離子膜電解水。其中堿水體系效率低下且有安全隱患，最重要的是其小時級的啟停時間與太陽能、風能等匹配不佳；而陰離子膜技術受膜壽命影響，預計成熟期在十到二十年之外。

因此人們開始關注能量效率高、因秒級響應完美匹配可再生能源的質子膜電解水技術。然而，質子膜電解水在目前市場份額不到 10% 的尷尬境地主要由其陽極催化劑造成。

一方面，落后的催化劑技術導致質子膜電解水技術完全沒有體現出其對于堿水系統該有的優勢。另一方面，目前的工業陽極催化劑全部基于金屬銥，而銥的極端稀缺性，即年產不過 7-12 噸，哪怕全部用于裝備電解水也不過 GW 量級，導致了供應鏈不可承受的極端壓力。

幾年前，康毅進團隊成立了天芮科技有限公司，并與東方電氣集團開展合作，旨在開發高效低銥和終極的非銥陽極催化劑，用以制造高效質子膜電解水系統。

氧化釕，作為氧化銥催化劑最有希望的替代品，受到了學術界和工業界的廣泛關注。然而，其穩定性對比銥相差了至少兩個數量級，其僅數小時的壽命遠不足以工業應用。

康毅進表示：“科學層面上對于氧化釕穩定性理解的缺乏，導致無法設計實用的穩定催化劑。而學術界和工業界的日漸脫節，也造成了學術界對于工業應用的曲解，科學家們觀測到的‘穩定性’其實來源于其他原因。”

基于上述原因出發，他和團隊以高度可控的表面模型來研究氧化釕催化劑的失效原理。他們發現氧化釕在電解水過程中會形成新的物相從而造成表面重構，而新的物相可能是可溶的高價釕物種。

在電解水過程中，氧化釕催化劑表面由于該機理而迅速溶解，雖然短期造成了高比表面積從而暫時提高了活性，但是長期來看催化劑溶解造成了電極結構崩塌從而導致失效。

經過篩選，他們發現添加金屬鉭可以有效抑制該可溶性新物相的形成。美國加州理工的William A. Goddard III 教授團隊使用理論計算模型，幫助他們理解了其中可能的原因。

簡單來說，金屬鉭使得材料缺陷位（一般往往是最不穩定的位置）上的釕更難形成高價態可溶物。基于該理論指導，他們制造出了工業級可量產的鉭摻雜氧化釕催化劑，并通過了初步的工業級測試。

盡管近 3000 小時的實測壽命離實際工業應用期待的萬小時壽命差距還是很大，但是基于實踐上但凡能活過 500 小時的工業催化劑都大概率可以走到最后，他們對于該氧化釕催化劑最終可用于裝備質子膜電解水系統持非常樂觀的態度。

如前所述，銥催化劑幾乎不可能是質子膜電解水陽極催化劑的終極選項。質子膜電解水技術占領市場，必然基于非銥催化劑之上。所以他們期待本次氧化釕催化劑能夠成為電解水制氫市場的 Game Changer。

此外，由于其高穩定性和相比銥顯著低廉的原料價格，氧化釕催化劑在尺寸穩定陽極市場上也許會有一席之地。

康毅進表示，天芮科技的定位就是一個以氫能為目、以催化技術為核心的科技公司，旨在開發質子膜電解水技術、陰離子膜電解水技術和高溫電解水技術。

由于陰離子膜電解水技術和高溫堆技術離市場化還較遠，所以他們將短期目標定為開發質子膜電解水用催化劑。

在測試眾多候選催化劑不可用之后，他們迅速發現 Pourbaix Diagram 其實早就已經幫他們做了初篩。

康毅進表示：“‘命中注定’那些組分其實都是不可能的。金屬鉭也是這么被選出來的。但早期測試發現摻鉭有時有用、有時沒用，結合文獻也得不出什么有用結論，總不能簡單歸結為‘合成的藝術’吧。”

于是，他們萌生了使用模型材料從頭研究氧化釕溶解機理的想法。“很幸運我們找到了 Goddard 教授，在中美對抗大潮中，也只有這么大咖的元老級教授才敢跟我們合作。”康毅進表示。

然后，他們從基礎模型研究得出的結論，借此得以進一步優化他們的納米顆粒催化劑，從而實現工業級別的應用。

日前，相關論文以《用于工業水電解的鉭穩定化氧化釕電催化劑》（Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis）為題發在Science[1]。

四川大學博士生張佳豪、新加坡國立大學助理教授付先彪和美國加州理工學院科學研究員權旼赫（Soonho Kwon）博士是共同一作，四川大學康毅進教授和美國加州理工學院 William A. Goddard III 教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Science）

康毅進說道：“目前我們公司已經資本到位，工業界大佬保駕護航，加上南通市開發區、創新區政府的大力支持和復旦校友們的幫助，一切終于進入正軌，大家多年的努力終于有了那么點見到回報的可能。”

后續，他們努力將質子膜電解水技術發揚光大，將電解水制綠氫成本降至灰氫水平。同時，在科學層面上他們也會進一步理解氧化釕，并積極尋找更廉價的選擇。

參考資料：

1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9938

2.tianrui-tech.com

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