怎样提高绿色氢气的生成效率？在《科学》中，复旦新成果

作为一种高效、可持续的能源媒介，绿色氢气被视为未来能源系统的重要组成部分。国际能源署（IEA）预计到2050年，全球氢气需求将超过1亿吨，其中大部分来自绿色氢气。如何提高绿色氢气的生成效率，使全球应对气候变化和能源转型的压力越来越大？

2月14日3时，北京时间，《熟化诱导嵌入式超稳定析氧反应电催化剂》(“复旦大学张波、徐一飞、段赛、徐昕合作团队”的研究成果Ultrastable supported oxygen evolution electrocatalyst formed by ripening induced embedding”）问题，在《科学》中发表（Science）主刊。通过创造性的“成熟诱导嵌入法”，该团队在媒体生长和活性成分核化过程中实现了同步控制，促进了金属氧化物媒体中嵌入贵金属纳米颗粒，显著增强了催化剂的稳定性，解决了贵金属纳米颗粒的溶解、脱落、团聚等问题，显著提高了绿色氢气的生成效率，同时减少了贵金属的用量。

澎湃新闻（www.thepaper.cn）在采访复旦大学的研究小组时，记者了解到，PEMWE电解水技术是目前绿色氢气生产过程中最先进的技术之一，但PEMWE技术依赖于析氧反应（OER）催化剂，催化过程的效率直接关系到整个电解水反应的能效和经济性。

现在，鲟及其氧化物（IrOₓ）在PEMWE阳极的强酸性环境下，它是唯一能稳定工作的催化剂，但是由于它的价格非常昂贵，而且它在地壳中的储量极其有限，限制了大规模的应用。与此同时，现有的鲟基催化剂催化活性和稳定性，还不能满足绿色氢能产业的需要。为突破瓶颈，复旦大学研究小组提出了创新的嵌入式负荷催化剂设计方案，显著提高了OER反应的效率和催化活性。

成熟诱导嵌入式催化剂的设计思路示意图。复旦大学提供图片

“负荷催化剂看起来像我们早餐吃的麻球。‘麻球’表面的‘芝麻’是氧化鲟。正是这些‘芝麻’在发挥催化作用。”张波比喻道。但是这一结构造成了一个问题——在电解水制氢过程中会产生大量的气泡，不断地冲洗催化剂，造成“芝麻”容易脱落。怎样才能使“芝麻”不易脱落？张波想到了他的牙齿:“牙齿种植在牙龈上。如果‘芝麻’一半嵌在麻球里，一半暴露在外面，那么当气泡再次被冲走时，‘芝麻’就不会轻易脱落。”

化学系徐昕教授团队在“麻球”上提出“种芝麻”的想法后，利用自主研发算法，通过严格的理论计算，使“麻球”的生长速度与表面“芝麻”的生长速度一致，使其达到一半嵌入一半的效果。否则，如果两者的生长速度失调，“芝麻”可能会被“麻球”吞噬或增加脱落的风险。此外，研究小组利用纳米晶体在超声波和加热的影响下自发生长(成熟)的过程，通过建立媒体生长速度与催化剂成核速度的匹配关系，将IrOₓ纳米颗粒嵌入氧化剂介质中，形成稳定高效的负荷催化剂，大大提高了催化效率，使设备整体能效提高了65%，减少了85%的消耗。

为使催化剂生成生长过程“眼见为实”，高分子科学系徐一飞青年研究员利用冷冻透射镜(CryoTEM)以及冷冻电子断层扫描技术（CryoET），“芝麻”颗粒如何生长，如何嵌入，通过时间分辨的合成过程，可以更好地控制生长速度。研究小组进一步检测了催化剂长达6000小时的PEMWE状态。数据显示，成熟的诱导嵌入方法可以有效防止鲟粒溶解、脱落和团聚，显著提高催化剂在长期运行中的活性和安全性。

这一研究成果的公布，意味着PEMWE技术在催化剂设计方面取得了长足的进步，将加快绿色氢气产业化进程。随着PEMWE技术的不断进步，氢能有望成为未来全球能源体系的支柱之一，从传统工业领域到电动交通、分布式发电、能源储存等诸多领域。

石文娟(海南大学海洋科学与工程学院)是复旦大学高分子科学系的专任副研究员。、复旦大学高分子科学系张波教授、徐一飞青年研究员、化学系段赛青年研究员、徐昕教授是化学系青年研究员申同昊作为论文的第一作者，复旦大学是唯一一个完成本工作的单位。该研究得到了国家自然科学基金、科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重点项目、上海浦江人才等资金的支持。

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