将大幅提升质子交换膜电解水制氢效率
中化新网讯 2月14日，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程全国重点实验室张波教授团队、徐一飞青年研究员团队联合化学系徐昕教授团队在《科学》杂志发表关于质子交换膜电解水装置催化剂的最新研究成果。这一历时3年研发的电解水制氢成果通过创造性的催化剂设计思路，大幅提高制氢效率和稳定性，为绿色氢能可持续发展提供技术支撑。
在绿氢生产过程中，质子交换膜电解水技术是当前最为前沿的技术之一。然而，该技术的应用仍面临几个技术瓶颈，其中最主要的挑战之一便是催化剂。质子交换膜电解水依赖于析氧反应(OER)催化剂，这一催化过程的效率直接决定了整个电解水反应的能效与经济性。目前铱及其氧化物是唯一可以在电解水高酸性环境下稳定工作的催化剂。铱价格昂贵、探明储量有限，铱基催化剂的催化活性和稳定性无法满足未来绿色氢能产业的需求。
因此，开发一种低成本、高效、稳定的OER催化剂，成为全球学术界和工业界迫切需要解决的问题。为突破这一瓶颈，张波团队提出一种创新的催化剂设计方案——将氧化铱纳米颗粒嵌入在氧化铈载体中，形成一种稳定且高效的负载型催化剂，将铱的用量降低85%，并且大幅提升催化效率，使器件整体能效提升了65%。
具体而言，研究团队利用纳米晶体在超声和加热作用下发生的熟化过程，通过构建载体生长速率和催化剂成核速率的匹配关系，将氧化铱纳米颗粒嵌入在氧化铈载体中，形成一种稳定且高效的负载型催化剂，从而大幅提升催化的效率和稳定性。
对该催化剂进行长达6000小时的工况测试结果表明，嵌入式催化剂有效地防止了铱颗粒的溶解、脱落和团聚，提高了催化剂在长期运行中的活性和稳定性。在绿氢制备的工业级电流密度(3安/平方厘米)下，该催化剂的电池电压低至1.72伏，电压衰减率仅为1.3微伏/时，膜电极中的贵金属负载总量仅为0.4克/平方厘米。根据实验结果估算，由此制备出来的产品寿命高达15年。
“当前，由于催化剂成本较高，质子交换膜电解水制氢技术在国内只有3%的市场占有率，而国外则达到了47%。”张波表示，在此次成果基础上，研究团队将致力于将基础研究与产业应用紧密结合，联合企业开展成果转化，提升国内质子交换膜电解水技术的市场份额，助力电解水行业降本增效。
未来，研究团队将进一步基于自主建立的中试生产线以及CryoTEM、原位拉曼、全原子KMC模拟等先进研究手段，拓展低成本、高活性、高稳定性的催化剂材料的持续研究，为绿色氢气生产提供更多创新方案，并进一步优化质子交换膜电解水系统的其他组件，提高系统整体性能和经济性。
电解水制氢系统上接规模化的光伏风电储氢，下接工业深度脱碳，有望成为未来全球能源体系的重要组成部分。
在上游产氢端，风力、光伏发电与核电、火电等，由于受到季节和气候限制，是间歇式发电，不能直接并入国家电网。而电解水制氢系统可以弥补这一短板，将多余电能及时转化为化学能，实现跨季节、规模化的柔性储能。
在下游脱碳端，二氧化碳可以和氢气结合制备甲醇、乙烯等化学品。从这个角度来看，产生二氧化碳排放的行业，例如水泥、钢铁、石油化工、煤化工等，都可以运用电解水制氢系统产生绿氢，耦合二氧化碳变成高附加值化学品，推动整个工业深度脱碳。
长远来看，随着电解水制氢技术的不断发展，氢气的应用领域也将不断拓宽，从传统的工业领域到电动交通、分布式发电、能源存储等多个领域，加快全球能源绿色化进程。
