央廣網(wǎng)上海2月15日消息（記者沈梅）近年來，氫氣憑借零污染、高熱值等特性，成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要選項。《國務院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達峰行動方案的通知》明確，加快氫能技術(shù)研發(fā)和示范應用，探索在工業(yè)、交通運輸、建筑等領(lǐng)域規(guī)模化應用。然而，氫能的大規(guī)模應用仍面臨著成本高昂等諸多問題。

北京時間2月14日，復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程全國重點實驗室張波教授團隊、徐一飛青年研究員團隊聯(lián)合化學系徐昕教授團隊在《科學》雜志（Science）發(fā)表關(guān)于質(zhì)子交換膜電解水裝置（PEMWE）催化劑的最新研究成果題為《熟化誘導嵌入形成的超穩(wěn)定析氧反應電催化劑》。這一歷時三年研發(fā)的電解水制氫成果通過創(chuàng)造性的催化劑設(shè)計思路，大幅提高制氫效率和穩(wěn)定性，為綠色氫能可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

《熟化誘導嵌入形成的超穩(wěn)定析氧反應電催化劑》登上《科學》雜志（Science） （央廣網(wǎng)發(fā) 受訪者供圖）

在綠色氫氣的生產(chǎn)過程中，PEMWE電解水（質(zhì)子交換膜電解水）技術(shù)是當前最為前沿的技術(shù)之一，其高效分解水產(chǎn)生氫氣的能力使其在全球綠色氫能的產(chǎn)業(yè)化進程中占據(jù)重要地位。然而，PEMWE技術(shù)的廣泛應用仍面臨幾個技術(shù)瓶頸，其中最主要的挑戰(zhàn)之一便是催化劑。PEMWE依賴于析氧反應（OER）催化劑，這一催化過程的效率直接決定了整個電解水反應的能效與經(jīng)濟性。目前，銥及其氧化物是唯一可以在PEMWE高酸性環(huán)境下穩(wěn)定工作的催化劑。作為一種貴金屬，銥價格昂貴，這對大規(guī)模部署PEMWE電解水系統(tǒng)構(gòu)成了巨大的經(jīng)濟障礙。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。

開發(fā)一種低成本、高效、穩(wěn)定的OER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。為突破這一瓶頸，張波團隊提出一種創(chuàng)新的催化劑設(shè)計方案——將氧化銥納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中，形成一種穩(wěn)定且高效的負載型催化劑，將銥的用量降低了85%，并且大幅提升了催化效率，使器件整體能效提升了65%。

張波打了個比方：“形象地來說，負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)導致一個問題——電解水制氫過程中會產(chǎn)生大量氣泡，不斷沖刷催化劑，導致粘附在“麻球”上的“芝麻”很容易脫落，從而造成催化劑的失活。

如何才能讓“芝麻”不容易脫落？張波想到了牙齒：“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，那么即便氣泡再怎么沖刷，‘芝麻’也不會輕易脫落了。”

在“麻球”上“種芝麻”的想法提出后，還需要理論計算團隊與實驗團隊的合作，才能“夢想成真”。在PEMWE電解水制氫系統(tǒng)中，需要通過嚴密的理論計算讓“麻球”生長的速度和表面“芝麻”生長的速度相匹配，才能使其恰好達成一半在外一半嵌入的效果。徐昕教授團隊通過自主研發(fā)的算法，實現(xiàn)了百萬原子級催化劑在數(shù)小時內(nèi)生長過程的精確理論模擬。

實驗上，尖端科研儀器的應用，使得催化劑合成生長過程能夠“眼見為實”。基于張波團隊提出的假設(shè)，利用冷凍透射電鏡(CryoTEM)以及冷凍斷層掃描技術(shù)（CryoET），高分子科學系徐一飛青年研究員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。

團隊對催化劑在溶液中的形成過程及最終形貌進行了原位高分辨三維觀測，有效確認了該合成策略的有效性。對該催化劑進行長達6000小時的PEMWE工況測試結(jié)果表明，合成的嵌入式催化劑有效地防止了銥顆粒的溶解、脫落和團聚，顯著提高了催化劑在長期運行中的活性和穩(wěn)定性。根據(jù)實驗結(jié)果估算，由此制備出來的產(chǎn)品壽命高達15年以上。

新型催化劑形成過程的CryoTEM/ET觀測、KMC模擬以及PEMWE工況性能檢測 （央廣網(wǎng)發(fā) 受訪者供圖）

三年研發(fā)讓張波感受到學科交叉合作的重要性：“團隊協(xié)作相當重要，就像一個水桶，只有每塊板都很長，拼出來的水桶才足夠高。不同學科背景的團隊發(fā)揮所長、共同攻關(guān)，最終方能解決復雜問題。”

本次研究成果將為實現(xiàn)我國以及全球碳中和目標提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。未來，團隊計劃進一步基于自主建立的中試生產(chǎn)線以及CryoTEM、原位拉曼、全原子KMC模擬等先進研究手段，拓展低成本、高活性、高穩(wěn)定性的催化劑材料的持續(xù)研究，為綠色氫氣生產(chǎn)提供更多創(chuàng)新方案，并進一步優(yōu)化PEMWE系統(tǒng)的其他組件，提高系統(tǒng)整體性能和經(jīng)濟性。張波說：“服務國家重大戰(zhàn)略，推進全球能源綠色化，是我們團隊一直以來的夢想。希望科研成果不僅上‘書架’，更能上‘貨架’。”