近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）前沿學(xué)部理學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在質(zhì)子膜水電解制氫陽(yáng)極電催化領(lǐng)域取得重要突破，成功解決了銥鎳氧電催化劑活性與穩(wěn)定性難以兼顧的技術(shù)難題，該科研成果為我國(guó)清潔能源技術(shù)的發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。。這一突破性成果中，鎢元素發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為綠氫產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展開闢了新的技術(shù)路徑。
鎢元素圖片
在全球積極尋求清潔能源轉(zhuǎn)型的大背景下，氫能作為一種高效、清潔的二次能源，受到了廣泛關(guān)注。質(zhì)子膜水電解制氫技術(shù)憑藉其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為了未來(lái)綠氫生產(chǎn)的核心技術(shù)之一。它環(huán)境友好，在制氫過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生污染物；電流密度高，能夠高效地將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；回應(yīng)快速，能及時(shí)根據(jù)能源供應(yīng)和需求變化進(jìn)行調(diào)整；還具備耐波動(dòng)特性，適合與風(fēng)、光等波動(dòng)性可再生能源直接耦合，有效解決可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定的問(wèn)題。然而，這項(xiàng)技術(shù)在陽(yáng)極電催化方面一直面臨著活性-穩(wěn)定性難題，限制了其大規(guī)模應(yīng)用和成本降低。
質(zhì)子膜水電解制氫實(shí)驗(yàn)圖片
針對(duì)上述的問(wèn)題，哈工大研究團(tuán)隊(duì)提出了基於雙重調(diào)控的創(chuàng)新策略。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在銥鎳氧電催化劑中巧妙引入銥-氧-鎢橋聯(lián)基團(tuán)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)催化劑表面重構(gòu)以及析氧反應(yīng)路徑的精確調(diào)控與優(yōu)化。這一發(fā)現(xiàn)猶如一把鑰匙，打開了突破技術(shù)瓶頸的大門。
在研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)克服了氧化鎢與氧化銥難溶性等技術(shù)難題，採(cǎi)用鎳輔助銥鎢電沉積脫合金方法，成功實(shí)現(xiàn)了納米氧化銥的原子級(jí)均勻鎢-氧摻雜。這一突破為後續(xù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
進(jìn)一步研究表明，銥-氧-鎢橋聯(lián)基團(tuán)通過(guò)雙位點(diǎn)協(xié)同機(jī)制顯著提升了催化劑的性能。一方面，它有效抑制了晶格氧參與反應(yīng)，避免了催化劑性能的衰減；另一方面，通過(guò)電荷補(bǔ)償機(jī)制，解決了過(guò)渡金屬刻蝕和銥位元點(diǎn)氧化態(tài)升高的問(wèn)題，顯著增強(qiáng)了催化劑的穩(wěn)定性。此外，橋聯(lián)氧作為質(zhì)子受體，在酸性電解質(zhì)中促進(jìn)了質(zhì)子轉(zhuǎn)移，解除了關(guān)鍵中間體質(zhì)子化脫除的限制，進(jìn)一步提升了析氧反應(yīng)的活性。
這一研究成果不僅實(shí)現(xiàn)了重構(gòu)氧化銥基催化劑電化學(xué)性能與穩(wěn)定性的雙重提升，為質(zhì)子膜水電解制氫技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了更可靠的催化劑，還為酸性電解低成本高性能析氧催化劑的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了寶貴的借鑒。
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