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研究背景
質子交換膜水電解(PEMWE)是制取高純度“綠氫”的核心技術,但其大規模應用受限于陽極析氧反應(OER)的高能耗問題。傳統催化劑在酸性環境中面臨兩大挑戰:
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高過電位:OER涉及多步質子-電子轉移,脫質子過程能壘高;
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活性位點失活:酸性電解質中質子濃度過高,導致活性位點被覆蓋。
浙江大學侯越團隊聯合國際研究組提出創新思路:通過設計共價有機框架(COF)材料構建定向氫鍵網絡,調控催化劑-水界面微環境,從而加速質子傳遞并穩定反應中間體。
研究要點
1.材料設計
團隊合成了一系列具有不同長度乙氧基側鏈的乙烯基連接COF(COF-O(n),其中COF-O(3) 因含最長親水鏈(三乙氧基),展現出:
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超高質子傳導率:80℃下達396.8 mS/cm,比傳統材料提升近4000倍;
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卓越酸穩定性:在12 M HCl中浸泡2天結構完好;
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有序孔道結構:層間距可調(0.31–0.39 nm),為質子傳輸提供通道。
2.催化機制創新
將COF-O(3)與商用RuO?復合后,通過原位光譜與理論計算發現:
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氫鍵網絡定向水分子:COF的乙氧基與反應中間體(*OOH)形成氫鍵,將界面水分子鎖定在“氧朝下”取向;
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穩定過渡態:該構象使脫質子能壘降低38%(從2.27 eV降至1.65 eV);
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抑制釕溶解:COF骨架向RuO?轉移電子,防止活性組分氧化流失。
3.性能突破
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超低過電位:酸性OER僅需218 mV(10 mA/cm²),比商用RuO?低87 mV;
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工業級電解性能:PEMWE器件在1.54 V電壓下實現1 A/cm²電流密度,能耗低至41 kWh/kgH?;
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創紀錄穩定性:200 mA/cm²工業電流下連續運行>180小時,釕溶出率降低67%。
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