穩定運行超1000小時，南開聯合團隊電催化水分解制氫研究新進展

　　日前，南開大學電子信息與光學工程學院羅景山教授團隊聯合西班牙巴斯克大學Federico Calle-Vallejo（費德里科 卡列—瓦列霍）教授團隊在電催化水分解制氫研究中取得重要進展。該聯合團隊利用金屬載體相互作用構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定運行超過1000小時，滿足了陰離子交換膜電解水制氫技術商業化應用的需求，相關研究成果在國際著名學術期刊《自然-通訊》發表。

　　氫能作為一種低碳高效的清潔能源，在全球能源轉型和應對氣候變化方面扮演重要角色。按照制氫的三種方法，氫能分為灰氫、藍氫、綠氫。其中，以可再生能源電解水制氫為代表的綠氫在生產過程中不產生溫室氣體，被廣泛視為實現碳中和目標的重要路徑之一。

　　顧名思義，電解水就是通過電能將水分解成氫氣與氧氣的過程。在電能和高效催化劑的共同作用下，水分子被電解，析出氫分子和氧分子。

　　目前，堿性電解水（ALK）和質子交換膜電解水（PEM）兩種電解水制氫技術占比較高。其中，ALK制氫技術具有生產成本低、工業化成熟的特點，但產生的氫氣純度不高且能量效率低。PEM制氫技術能量效率高，產生的氫氣純度較高，但由于其在酸性條件下運行，需要貴金屬催化劑，因此氫氣生產成本較高。陰離子交換膜（AEM）制氫技術被認為是集ALK與PEM優勢于一體的第三代電解水制氫技術，具有高效率、低成本、快速啟停等優勢，但在大電流密度下電解槽系統穩定性不足限制了其產業化應用。因此，開發大電流密度下壽命長、性能穩定的堿性析氫催化劑是AEM制氫技術亟待解決的核心問題之一。

　　羅景山介紹，當前的電解水過程大多使用鉑基材料作為析氫反應催化劑，性能優良但成本較高。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，從而滿足大規模商業化應用的需要，是我們團隊攻關的核心問題。”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換、化學合成和污染物降解等領域研究的重點。載體和金屬的相互作用，會極大地影響催化劑的性能。團隊研究發現，釕納米顆粒與氮化鈦載體之間具有強相互作用，能有效調節釕納米顆粒的電子結構，優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與商業化Pt/C (20%)、Ru/C (5%) 性能對比。電解液：1 MKOH。(b) 陰離子交換膜電解槽的示意圖。(c) Ru NPs/TiN||FAAM-20||NiMoFeOx NF 陰離子交換膜電解槽在不同溫度下的LSV曲線。(d) Ru NPs/TiN||FAAM-20||NiMoFeOx NF在1、2和5Acm²電流密度下的電位-時間曲線。電極的幾何面積：1cm²；電解液：30%  KOH；電解液溫度：80 ℃。

　　“我們使用Ru NPs/TiN作為析氫反應催化劑組裝了AEM電解槽，在每平方厘米0.5安培、1安培和2安培的電流密度下分別實現了70.1%，64.3%和58.0%的能量效率，并能在每平方厘米1安培，2安培和5安培的電流密度下穩定運行超過1000小時，性能幾乎沒有衰減。”論文第一作者、南開大學電子信息與光學工程學院2021級博士生趙佳說。

　　“在5安培每平方厘米的工業級電流密度下，我們的研究成果能夠在AEM電解槽中高效穩定運行，滿足了AEM制氫大規模商業化應用的需求。”羅景山說，“未來，我們團隊將繼續投入到綠氫制備技術的自主研發之中，促進科技成果盡快轉化落地，為構建零碳、低成本、安全可靠的綠氫能源供給體系貢獻力量。”

　　南開大學為該項工作的第一完成單位和通訊單位，南開大學羅景山教授和西班牙巴斯克大學Federico Calle-Vallejo教授為該論文的通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃青年科學家項目、國家自然科學基金委優秀青年科學基金、天津市杰出青年基金等項目資助。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50691-5