中国青年报客户端上海2月14日电（中青报·中青网记者 王烨捷）今天，复旦大学张波、徐一飞、段赛、徐昕合作团队通过采用熟化诱导嵌入技术显著增强了催化剂的稳定性，解决了贵金属纳米颗粒溶解、脱落、团聚等难题。2月14日，该成果的论文发表于《科学》（Science）。该研究通过创造性的“熟化诱导嵌入方法”，合成了具有极高催化活性和稳定性的铱/铈嵌入式负载催化剂，在减少贵金属用量的同时显著提高了绿色氢气的生成效率。
随着全球应对气候变化和能源转型的压力日益加剧，绿色氢气作为一种高效、可持续的能源载体，越来越受到关注。绿色氢气的生产过程中，PEMWE电解水技术是当前最为前沿的技术之一。然而，PEMWE技术当前仍面临几个技术瓶颈，其中最主要的挑战之一便是催化剂的性能问题。
受访团队供图
PEMWE依赖于析氧反应（OER）催化剂，而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（IrO？）是唯一可以在PEMWE阳极的强酸性环境下稳定工作的催化剂，但其高昂的成本和稀缺性限制了其大规模应用。铱的价格非常昂贵，并且其在地壳中的储量极为有限，这对大规模部署PEMWE系统构成了巨大的经济障碍；同时，现有的铱基催化剂的催化活性和稳定性，尚无法满足未来绿色氢能产业的需求。因此，开发一种低成本、高效且稳定的OER催化剂，成为全球学术界和工业界迫切需要解决的核心问题。
针对这一问题，复旦团队提出了一种创新的嵌入式负载型催化剂设计方案，显著提升了OER反应的效率和催化活性，同时减少了铱的使用量。“形象来说，负载型催化剂看上去就像我们早餐吃的麻球，‘麻球’表面的‘芝麻’就是氧化铱，正是这些‘芝麻’在发挥催化作用。”张波说，这种结构会导致一个问题——电解水制氢过程中会产生大量气泡，不断冲刷催化剂，导致“芝麻”易脱落。
如何才能让“芝麻”不容易脱落？张波设想，如果把“芝麻”一半嵌在麻球里，一半露在外面，那么气泡再冲刷，“芝麻”也不会轻易脱落。在“麻球”上“种芝麻”的想法后来经复旦团队合作开发，变成了现实。研究团队利用纳米晶体在超声和加热作用下发生的自发长大（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IrO？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。
这时，尖端科研仪器的应用，使得催化剂合成生长过程能够“眼见为实”。高分子科学系徐一飞青年研究员利用冷冻透射电镜（CryoTEM）以及冷冻电子断层扫描技术（CryoET），通过时间分辨的合成过程，清楚地看到“芝麻”颗粒怎么长大、怎么嵌入，进而能够更好地控制生长速度。
受访团队供图
研究团队进一步对该催化剂进行了长达6000小时的PEMWE工况测试，结果显示，熟化诱导嵌入方法有效防止了铱颗粒的溶解、脱落和团聚，显著提高了催化剂在长期运行中的活性和稳定性。根据实验结果估算，由此制备出来的PEMWE设备寿命高达15年以上。
根据国际能源署（IEA）的预测，到2050年，全球氢气需求将达到约亿吨以上，其中大部分来源于绿色氢气。复旦大学的这一研究成果为实现这一目标提供了新的技术支撑。未来，研究团队计划进一步基于自主建立的催化剂设计与合成平台，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研究，为绿色氢气生产提供更多创新方案。研究团队还计划依托复旦大学孵化的山海氢（上海）新能源科技有限公司，进一步推广成熟技术的落地，推动我国绿氢技术的发展。
责任编辑：邱晨辉
浏览量：
773 
大字号
京公网安备11010702003049号
