從南開大學(xué)獲悉，南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院羅景山教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西班牙巴斯克大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，在電催化水分解制氫研究中取得重要進(jìn)展。該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用金屬載體相互作用構(gòu)筑了堿性條件高活性析氫催化劑，能夠在每平方米5萬安培的大電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過1000小時，滿足了陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的需求，相關(guān)研究成果在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》發(fā)表。目前，堿性電解水(ALK)和質(zhì)子交換膜電解水(PEM)兩種電解水制氫技術(shù)占比較高。
其中，ALK制氫技術(shù)具有生產(chǎn)成本低、工業(yè)化成熟的特點(diǎn)，但產(chǎn)生的氫氣純度不高且能量效率低。PEM制氫技術(shù)能量效率高，產(chǎn)生的氫氣純度較高，但由于其在酸性條件下運(yùn)行，需要貴金屬催化劑，因此氫氣生產(chǎn)成本較高。陰離子交換膜(AEM)制氫技術(shù)被認(rèn)為是集ALK與PEM優(yōu)勢于一體的第三代電解水制氫技術(shù)，具有高效率、低成本、快速啟停等優(yōu)勢，但在大電流密度下電解槽系統(tǒng)穩(wěn)定性不足限制了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。因此，開發(fā)大電流密度下壽命長、性能穩(wěn)定的堿性析氫催化劑是AEM制氫技術(shù)亟待解決的核心問題之一。
羅景山介紹，當(dāng)前的電解水過程大多使用鉑基材料作為析氫反應(yīng)催化劑，性能優(yōu)良但成本較高。釕作為價格較低的貴金屬，具有高催化活性和良好的耐久性，是鉑的理想替代品，具有較好的應(yīng)用前景。“已被報道的堿性條件下的釕基析氫催化劑大多是在低電流密度下進(jìn)行測試。能夠在大電流密度下保持電催化劑的高性能，從而滿足大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的需要，是我們團(tuán)隊(duì)攻關(guān)的核心問題。”羅景山說。
圖1 Ru NPs/TiN的合成示意圖由載體和貴金屬組成的非均相催化劑是能量轉(zhuǎn)換、化學(xué)合成和污染物降解等領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。載體和金屬的相互作用，會極大地影響催化劑的性能。團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，釕納米顆粒與氮化鈦載體之間具有強(qiáng)相互作用，能有效調(diào)節(jié)釕納米顆粒的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氫中間體的吸附能，提高催化活性。
圖2 (a) 三電極體系中Ru NPs/TiN與商業(yè)化Pt/C (20%)、Ru/C (5%) 性能對比“在5安培每平方厘米的工業(yè)級電流密度下，我們的研究成果能夠在AEM電解槽中高效穩(wěn)定運(yùn)行，滿足了AEM制氫大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的需求。”羅景山說，“未來，我們團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)投入到綠氫制備技術(shù)的自主研發(fā)之中，促進(jìn)科技成果盡快轉(zhuǎn)化落地，為構(gòu)建零碳、低成本、安全可靠的綠氫能源供給體系貢獻(xiàn)力量。”
