新型催化劑破解電解水制氫低效高耗能難題
文章來(lái)源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-09-01 14:22:29
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記者31日從昆明理工大學(xué)獲悉，該校冶金與能源工程學(xué)院徐瑞東教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合東南大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、美國(guó)西北大學(xué)等機(jī)構(gòu)學(xué)者合作，研發(fā)了一種新型非貴金屬電催化材料，為解決堿性條件下電解水制氫效率低、能耗高的行業(yè)難題提供新方案，助力綠色氫能規(guī)模化生產(chǎn)。相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上。
電解水是綠色氫能生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，但在堿性環(huán)境中面臨兩大瓶頸：一是析氫反應(yīng)中某一基元步驟反應(yīng)速度緩慢，二是析氧反應(yīng)需完成四質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移，兩者共同導(dǎo)致產(chǎn)氫效率低、能耗高。目前性能優(yōu)異的催化劑多依賴貴金屬，如部分銥、釕氧化物及鉑碳材料，但其成本高昂且資源稀缺，難以滿足大規(guī)模應(yīng)用需求。因此，研發(fā)同時(shí)具備高活性析氫與析氧性能的非貴金屬雙功能催化電極，成為行業(yè)突破重點(diǎn)。 為破解這一難題，徐瑞東教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出“一步異質(zhì)成核”策略，成功制備出非晶態(tài)硫化鎳與晶態(tài)銅復(fù)合的電催化材料，并通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，顯著提升材料全解水性能。
團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該材料的優(yōu)異性能源于三重作用機(jī)制：一是硫原子聚集的正電荷，大幅加快析氫反應(yīng)第一電子轉(zhuǎn)移過(guò)程動(dòng)力學(xué)；二是銅位點(diǎn)優(yōu)化的d帶結(jié)構(gòu)，平衡了反應(yīng)中氫中間體的吸附與脫附過(guò)程，避免吸附過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱影響熱力學(xué)效率；三是材料界面間的強(qiáng)相互作用，促使表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)，削弱析氧反應(yīng)關(guān)鍵中間體的吸附強(qiáng)度，進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。 在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中，這種新型催化材料表現(xiàn)突出——在陰離子交換膜電解槽中，僅需1.49伏的槽電壓，就能驅(qū)動(dòng)10毫安每平方厘米的電流密度，展現(xiàn)出優(yōu)異的全解水性能。 此項(xiàng)研究不僅揭示了非晶、晶態(tài)異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料電子調(diào)控機(jī)制，更從原子層面為設(shè)計(jì)低成本、高性能水分解電催化材料提供新思路，對(duì)推動(dòng)綠色氫能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用具有重要意義。 |
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