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)院羅景山教授團隊聯(lián)合西班牙巴斯克大學(xué)科研團隊，在電催化水分解制氫研究中取得重要進展。該聯(lián)合團隊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，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，是我們團隊攻關(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。載體和金屬的相互作用，會極大地影響催化劑的性能。團隊研究發(fā)現(xiàn)，釕納米顆粒與氮化鈦載體之間具有強相互作用，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，我們團隊將繼續(xù)投入到綠氫制備技術(shù)的自主研發(fā)之中，促進科技成果盡快轉(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力量。”
