浙江
韓國材料科學(xué)研究院（KIMS）能源與環(huán)境材料研究部Dr. Sung Mook Choi領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，與昌原國立大學(xué)Professor Seung-Hwa Lee團(tuán)隊(duì)合作，成功設(shè)計(jì)并開發(fā)出一種具有層狀結(jié)構(gòu)的非貴金屬析氧反應(yīng)（OER）催化劑，該催化劑針對陰離子交換膜水電解（AEMWE）環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化。這項(xiàng)研究的意義在于提出了一種新的催化劑設(shè)計(jì)策略，在降低對昂貴貴金屬催化劑依賴的同時，實(shí)現(xiàn)高效率與高耐久性的協(xié)同提升。
陰離子交換膜水電解（AEMWE）在堿性條件下運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于能夠使用相對低成本的非貴金屬催化劑替代昂貴的貴金屬催化劑。因此，AEMWE被廣泛認(rèn)為是一種具有成本優(yōu)勢且本質(zhì)上安全的制氫技術(shù)。
然而，目前缺乏能夠在堿性環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)行的非貴金屬析氧反應(yīng)（OER）催化劑，這使得實(shí)際系統(tǒng)中仍無法完全擺脫對貴金屬催化劑的依賴。尤其是傳統(tǒng)過渡金屬基催化劑在耐久性方面面臨挑戰(zhàn)，在長期運(yùn)行過程中往往會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)退化、金屬溶解以及催化活性下降等問題。
為了解決這些問題，研究團(tuán)隊(duì)精確設(shè)計(jì)了一種以鈷（Co）和鐵（Fe）為基礎(chǔ)的層狀氧羥化物（CoFeOOH）催化劑，并提出一種能夠同時調(diào)控催化活性表面電子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)路徑的策略。通過這一方法，研究團(tuán)隊(duì)證明可以在保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時，在析氧反應(yīng)過程中實(shí)現(xiàn)高效電荷轉(zhuǎn)移。
研究團(tuán)隊(duì)在層狀氧羥化物（CoFeOOH）結(jié)構(gòu)中引入鐵（Fe），有效調(diào)節(jié)鈷（Co）活性中心的電子狀態(tài)，并降低反應(yīng)中間體吸附與脫附過程的能量障礙，而這些過程正是析氧反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。因此，該催化劑在較低過電位下即可實(shí)現(xiàn)較高電流密度，并在長時間運(yùn)行條件下保持穩(wěn)定性能而不發(fā)生結(jié)構(gòu)退化。
同時，為抑制在鐵（Fe）摻雜過程中可能出現(xiàn)的催化劑腐蝕和結(jié)構(gòu)劣化，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種專有技術(shù)，通過對催化劑表面進(jìn)行可控化學(xué)氧化處理，從而構(gòu)建出在堿性條件下更有利于析氧反應(yīng)的穩(wěn)定催化表面結(jié)構(gòu)。
新開發(fā)的催化劑被直接應(yīng)用于陰離子交換膜水電解（AEMWE）單電池中，從而在實(shí)際電解系統(tǒng)條件下驗(yàn)證了其性能和耐久性，而不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室半電池測試。這一成果表明，非貴金屬析氧反應(yīng)催化劑可以在AEMWE系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，為未來商業(yè)化提供了重要基礎(chǔ)。
一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，該技術(shù)有望推動開發(fā)成本更低、效率更高且對貴金屬依賴更小的AEMWE系統(tǒng)。同時，該技術(shù)也有望促進(jìn)清潔氫氣生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，并增強(qiáng)關(guān)鍵水電解催化材料領(lǐng)域的技術(shù)自主能力。
韓國材料科學(xué)研究院首席研究員、該研究負(fù)責(zé)人Dr. Sung Mook Choi表示：“本研究通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功突破了非貴金屬催化劑的性能局限。”他補(bǔ)充說：“我們將繼續(xù)推進(jìn)基于陰離子交換膜水電解的綠氫生產(chǎn)技術(shù)商業(yè)化，并為氫能社會的實(shí)現(xiàn)作出貢獻(xiàn)?！?/p>
該研究獲得韓國國家研究基金會（NRF）“National Research Laboratory for Hydrogen（H2 NEXT Round）”項(xiàng)目、韓國材料科學(xué)研究院機(jī)構(gòu)研究項(xiàng)目、NRF基礎(chǔ)研究項(xiàng)目以及Changwon National University優(yōu)秀論文支持計(jì)劃的資助。研究成果已于2025年12月1日在線發(fā)表在國際知名期刊《ACSNano》（影響因子16.1）。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5c14034?utm_source=chatgpt.com
（素材來自：韓國材料科學(xué)研究院 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）
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