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中國科學院長春應(yīng)用化學研究所創(chuàng)新研發(fā)高效納米氫能催化材料助力綠氫產(chǎn)業(yè)升級

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-08-11 16:31:49

在碳達峰和碳中和的大時代背景下，加快新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展必將帶動國家能源格局的變化。氫能是最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗咝е茪鋵儆趪H前沿研究課題。近年來，層出不窮的綠氫示范項目使我國已成為全球氫能發(fā)展的熱點和高地。其中，堿性電解水制氫系統(tǒng)已進入商業(yè)化運營階段，是實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模制氫的重要方式。但是，產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)創(chuàng)新能力、相關(guān)核心材料和技術(shù)水平的研發(fā)能力還有欠缺。因此，發(fā)展氫能，不僅基于市場需求，更基于國家發(fā)展。中國科學院長春應(yīng)用化學研究所團隊面向國家戰(zhàn)略需求，瞄準國際前沿研究課題，以規(guī)則形貌調(diào)控與表界面修飾-自支撐納米復(fù)合體系構(gòu)筑-氫能應(yīng)用為主線，在發(fā)展并揭示了第六族金屬硫化物氫能材料及其催化機理、構(gòu)筑第六族金屬硫化物陣列負載型異質(zhì)結(jié)氫能材料體系和揭示活性位演變過程及穩(wěn)定機制三方面取得了具有國際影響力的創(chuàng)新成果。該技術(shù)榮獲2024年度吉林省科學技術(shù)獎一等獎。

圖1. 發(fā)展并揭示第六族金屬硫化物氫能材料及其催化機理：（A）精準制備硫化物氫能納米點的代表性示意圖；（B）硫化鎢納米點和（C）硫化鉬納米點。

圖2. 構(gòu)筑第六族金屬硫化物陣列負載型異質(zhì)結(jié)氫能材料體系：（A）構(gòu)筑硫化物陣列負載型異質(zhì)結(jié)氫能材料的代表性示意圖；（B）陣列負載氫能材料電鏡圖；（C）硫化鉬/釕異質(zhì)結(jié)電鏡圖;（D）硫化鎢/鎳@氧化鎳異質(zhì)結(jié)電鏡圖和（E）陣列負載型異質(zhì)結(jié)氫能材料的制氫示意圖。

圖 3. 揭示活性位演變過程及穩(wěn)定機制：（A）陣列負載型催化材料的全電解水示意圖；（B）陣列負載硫化鉬/釕異質(zhì)結(jié)的水電解機理解析；（C）釕（銥）摻雜鎳釩水滑石的水電解機理解析和（D）鎳、鐵和鋅三元金屬氫氧化物的原位拉曼光譜解析、缺陷產(chǎn)生過程、活性位中心及機理解析。

　　團隊利用表面活性劑具有降低水溶液表面張力和液體-蒸汽水界面能壘及減弱材料團聚驅(qū)動力的優(yōu)勢，實現(xiàn)了硫化物納米點氫能材料的液相超聲剝離，發(fā)展了一種硫化物納米點氫能材料的普適性快速制備方法，突破了傳統(tǒng)硫化物納米點制備的局限性，引領(lǐng)了硫化物納米點材料的發(fā)展與應(yīng)用。項目團隊進一步利用陣列材料所獨具的高導電性、高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高活性面積提高活性位點利用率及擴散傳質(zhì)性能等優(yōu)勢，創(chuàng)新性提出以陣列材料為載體合理設(shè)計和調(diào)控異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的策略，實現(xiàn)了電子離子在界面處的快速轉(zhuǎn)移，構(gòu)筑出第六族金屬硫化物陣列負載異質(zhì)結(jié)氫能材料體系，推動了陣列負載型催化材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，項目團隊對催化材料表界面的化學結(jié)構(gòu)動態(tài)變化進行深入研究，揭示了活性位點的反應(yīng)特性，確定了催化材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，最終闡明了催化反應(yīng)本征動力學和反應(yīng)機理。在此基礎(chǔ)上，項目團隊立足于化學和材料學科前沿，以國家重大戰(zhàn)略需求-氫能為牽引，開展跨學科、跨領(lǐng)域的能源電化學研究，在催化材料（異質(zhì)結(jié)、應(yīng)變、缺陷等）、理論和實踐方面取得了系統(tǒng)性創(chuàng)新研究成果。

　　納米催化技術(shù)作為前沿交叉學科的重要突破點，正在能源轉(zhuǎn)型、環(huán)境治理和生命健康等領(lǐng)域展現(xiàn)出變革性潛力。潔凈氫能在實現(xiàn)能源安全和"雙碳"戰(zhàn)略目標的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，作為氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)支撐，催化劑性能直接決定著整個行業(yè)的發(fā)展水平。通過開發(fā)負載型催化材料的規(guī)模化制備工藝，不僅能夠有效推動綠色制氫技術(shù)的進步，還將顯著提升燃料電池性能和工業(yè)催化效率，為相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用創(chuàng)造更廣闊的發(fā)展空間。(科學技術(shù)獎勵處）

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