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綠氫新突破!成本降低80%,效率提升65%,復(fù)旦新型催化劑登上《科學(xué)》

發(fā)布時(shí)間:2025-2-14 17:48    發(fā)布者:eechina
關(guān)鍵詞: PEMWE , 綠氫 , 制氫
來(lái)源: 文匯報(bào)


復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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(wèn)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(shí),銥基催化劑的催化活性和穩(wěn)定性,尚無(wú)法滿足未來(lái)綠色氫能產(chǎn)業(yè)的需求。因此,開(kāi)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(wèn)題。

為此,復(fù)旦大學(xué)張波、徐一飛、段賽、徐昕合作團(tuán)隊(duì)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(shí),顯著提高了綠色氫氣的生成效率。與國(guó)內(nèi)外競(jìng)品性能對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)萬(wàn)小時(shí)無(wú)衰減。


熟化誘導(dǎo)嵌入式催化劑的設(shè)計(jì)思路示意圖

張波打了一個(gè)形象的比方,“負(fù)載型催化劑看上去就像我們?cè)绮统缘穆榍,‘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(guò)程中會(huì)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(gè)問(wèn)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?zèng)_刷,‘芝麻’也不會(huì)輕易脫落了!

由此,實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與理論計(jì)算團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步合作。徐昕教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研發(fā)的算法及嚴(yán)密的理論計(jì)算,讓“麻球”生長(zhǎng)的速度和表面“芝麻”生長(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)程能夠“眼見(jiàn)為實(shí)”。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(guò)時(shí)間分辨的合成過(guò)程,清楚地看到“芝麻”顆粒怎么長(zhǎng)大、怎么嵌入,進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)更好地控制生長(zhǎng)速度。


新型催化劑形成過(guò)程檢測(cè)

測(cè)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(zhǎng)期運(yùn)行中的活性和穩(wěn)定性,全面超過(guò)相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算,由此制備出來(lái)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(jì)方面的重大突破,將大大推動(dòng)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(dòng)交通、分布式發(fā)電、能源存儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域,氫能有望成為未來(lái)全球能源體系的支柱之一。

未來(lái),基于自主建立的催化劑設(shè)計(jì)與合成平臺(tái)及先進(jìn)研究手段,研究團(tuán)隊(duì)計(jì)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(duì)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。

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