想象未來有一天，你開的電動車是氫燃料電池驅動，穿的衣服是用氫氣和二氧化碳製造👨🌾，燒菜的燃氣竈不再是天然氣，而是氫氣。能源轉型時代💡，氫能成為重要的能源解決方案📇，在實現“碳中和”目標中發揮至關重要的作用。
北京時間2月14日EON体育4平台高分子科學系、聚合物分子工程全國重點實驗室張波教授團隊♉️、徐一飛青年研究員團隊聯合化學系徐昕教授團隊在《科學》雜誌（Science）發表關於質子交換膜電解水裝置（PEMWE）催化劑的最新研究成果題為《熟化誘導嵌入形成的超穩定析氧反應電催化劑》（“Ultrastable supported oxygen evolution electrocatalyst formed by ripening induced embedding”）
這一歷時三年研發的電解水製氫成果，通過創造性的催化劑設計思路🫴🏽，大幅提高製氫效率和穩定性👼🏿，為綠色氫能可持續發展提供技術支撐🧝🏽。
圖1. 聯合團隊合影
讓“麻球”上的“芝麻”更堅固，催化劑中貴金屬用量降低85%
隨著全球應對氣候變化和能源轉型的壓力日益加劇，綠色氫氣作為一種高效😬🍇、可持續的能源載體，越來越受到關註🚣♀️。在綠色氫氣的生產過程中，PEMWE電解水（質子交換膜電解水）技術是當前最為前沿的技術之一，其高效分解水產生氫氣的能力使其在全球綠色氫能的產業化進程中占據重要地位。
然而🧕🏿，PEMWE技術的廣泛應用仍面臨幾個技術瓶頸，其中最主要的挑戰之一便是催化劑🏃♂️➡️。PEMWE依賴於析氧反應（OER）催化劑，這一催化過程的效率直接決定了整個電解水反應的能效與經濟性。目前，銥及其氧化物（IrOₓ）是唯一可以在PEMWE高酸性環境下穩定工作的催化劑♋️。作為一種貴金屬，銥價格昂貴🛀🏼，且在地殼中儲量極為有限👩🏽💼，目前地球上已探明的銥儲量僅6400噸👩🏻🦼，這對大規模部署PEMWE電解水系統構成了巨大的經濟障礙。同時⚂，銥基催化劑的催化活性和穩定性尚無法滿足未來綠色氫能產業的需求🏔。
圖2. 銥/鈰嵌入式載體型催化劑
因此，開發一種低成本、高效、穩定的OER催化劑，成為全球學術界和工業界迫切需要解決的核心問題⛳️。為突破這一瓶頸，張波團隊提出一種創新的催化劑設計方案——將氧化銥納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中，形成一種穩定且高效的負載型催化劑🍶，將銥的用量降低了85%👨🏼⚕️，並且大幅提升了催化效率，使器件整體能效提升了65%。
具體而言☑️，研究團隊利用納米晶體在超聲和加熱作用下發生的自發長大（熟化）過程，通過構建載體生長速率和催化劑成核速率的匹配關系，將IrOₓ納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中，形成一種穩定且高效的負載型催化劑🧑🏼🍳🤒，從而大幅提升催化的效率和穩定性（圖3）。
圖3. 熟化誘導嵌入式催化劑的設計思路示意圖
“形象地來說，負載型催化劑看上去就像我們早餐吃的麻球👨🏿🎓。‘麻球’表面的‘芝麻’就是氧化銥。正是這些‘芝麻’在發揮催化作用🧗🏿♂️。”張波打比方道🥼。但這種結構就導致一個問題——電解水製氫過程中會產生大量氣泡，不斷沖刷催化劑，導致粘附在“麻球”上的“芝麻”很容易脫落，從而造成催化劑的失活。
如何才能讓“芝麻”不容易脫落👨👨👧👦？張波想到了牙齒🫅：“牙齒是種在牙床上的。如果把‘芝麻’一半嵌在‘麻球’裏，一半露在外面🌉，那麽即便氣泡再怎麽沖刷，‘芝麻’也不會輕易脫落了。”
理論計算+電鏡應用，交叉團隊聯合驗證方法有效性
在“麻球”上“種芝麻”的想法提出後，還需要理論計算團隊與實驗團隊的合作，才能讓應用場景真正落地🙎♂️🤼。
在PEMWE電解水製氫系統中，需要通過嚴密的理論計算讓“麻球”生長的速度和表面“芝麻”生長的速度相匹配，才能使其恰好達成一半在外一半嵌入的效果。否則🐄，如果二者的生長速度失衡👩🏽🎤，可能導致兩種情況：一是“芝麻”被“麻球”全部吞掉𓀃，喪失催化活性♚；二是“芝麻”只粘附了一點，導致脫落風險增加。為了得到兩者之間匹配的生長速度✌🏻，化學系徐昕教授團隊基於“快慢過程分離”的原則👷🏽，自主研發了高效算法🔦，實現了百萬原子級催化劑在數小時內生長過程的精確理論模擬🤾🏿♂️。理論仿真結果表明，載體高能面的持續生長是將“芝麻”恰好嵌入“麻球”的關鍵🫴🏿。
實驗上，尖端科研儀器的應用，使得催化劑合成生長過程能夠“眼見為實”🤖。基於張波團隊提出的假設🤚，利用冷凍透射電鏡(CryoTEM)以及冷凍斷層掃描技術（CryoET）,高分子科學系徐一飛青年研究員通過時間分辨的合成過程，清楚地看到“芝麻”顆粒怎麽長大👨👨👧👧、怎麽嵌入。
團隊對催化劑在溶液中的形成過程及最終形貌進行了原位高分辨三維觀測，有效確認了該合成策略的有效性🌳。得到實驗結果與理論全原子動力學蒙特卡洛（KMC）模擬相互驗證，確認了載體和催化劑生長速度的匹配是將“芝麻”嵌入“麻球”的決定性因素（圖4）。
圖4. 新型催化劑形成過程的CryoTEM/ET觀測、KMC模擬以及PEMWE工況性能檢測
對該催化劑進行長達6000小時的PEMWE工況測試結果表明，合成的嵌入式催化劑有效地防止了銥顆粒的溶解🧟♂️🌇、脫落和團聚，顯著提高了催化劑在長期運行中的活性和穩定性。具體來說，在綠氫製備的工業級電流密度（3 A/cm2）下，該催化劑的電池電壓低至1.72 V🌽🙆🏿♀️，電壓衰減率僅為1.3 μV/h🧑🏼⚕️，膜電極中的貴金屬負載總量僅為0.4 g/cm2（圖3）👨🏽🦰，全面超出美國國家能源局設計的2026年國際指標。根據實驗結果估算🍝，由此製備出來的產品壽命高達15年以上😡。
該成果的三年研發過程🧝🏽♀️，讓張波感受到學科交叉合作的重要性：“團隊協作相當重要🙆🏽♂️，就像一個水桶，只有每塊板都很長👧🏼，拼出來的水桶才足夠高。不同學科背景的團隊發揮所長😿、共同攻關🤽🏽♂️，最終方能解決復雜問題👭🏻。”03上接光伏儲能🪠、下接工業脫碳，助力電解水行業降本增效
2020年9月，中國提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標。根據國際能源署（IEA）的預測🪱🛌🏼，到2050年，全球氫氣需求將達到約億噸以上，其中大部分來源於綠色氫氣💆♂️。本次研究成果將為實現我國以及全球碳中和目標提供關鍵技術支撐。
作為國內最早從事電解水研究的團隊之一，張波團隊持續探索電解水催化機理🥷🏿、推動產學研融合多年🤜🏼。“電解水製氫系統上接規模化的光伏風電儲氫，下接工業深度脫碳，關系到國計民生👨🏻🦼，可以滲透到社會生產生活的方方面面。”張波認為。
圖5. 張波教授團隊合影
在上遊產氫端🥩，風力💇🏿、光伏發電與核電、火電的一個重要區別，在於受到季節和氣候限製🤤🌺，是間歇式發電，不能直接並入國家電網🫸🏼，而電解水製氫系統可以彌補這一短板🤦♂️，將多余電能及時轉化為化學能，實現跨季節🚵🏽♀️、規模化的柔性儲能🫳🏼。比如，在夏天能量較多時，可以將電能變成氫氣儲存起來👍🚂，想用電能的時候再將能量釋放出來。
在下遊脫碳端🪆，二氧化碳可以和氫氣結合變成甲醇、乙烯等各類化學品🛼。從這個角度，工業上有二氧化碳排放的行業，例如水泥、鋼鐵🛄、石油加工、煤化工等，都可以運用電解水製氫系統產生綠氫，耦合二氧化碳變成高附加值化學品，推動整個工業深度脫碳。
當前，由於催化劑成本較高🔑，PEMWE電解水製氫技術在國內只有3%的市場，而國外則達到了47%。在本次成果基礎上👩🏿🎓，張波團隊將致力於將基礎研究與產業應用緊密結合❌🧝♂️，聯合企業開展成果轉化🧑🏿🌾，提升國內PEMWE技術的市場份額，助力電解水行業降本增效。
圖6. 高通量多通道電解槽測試系統
長遠來看，隨著PEMWE技不斷發展，氫氣的應用領域也將不斷拓寬🕴🏻🙍🏻，從傳統的工業領域到電動交通、分布式發電、能源存儲等多個領域🎑🔵，氫能有望成為未來全球能源體系的重要組成部分。
未來🤾🏼♂️，團隊計劃進一步基於自主建立的中試生產線以及CryoTEM、原位拉曼🍠、全原子KMC模擬等先進研究手段，拓展低成本、高活性、高穩定性的催化劑材料的持續研究，為綠色氫氣生產提供更多創新方案🧑🦽➡️，並進一步優化PEMWE系統的其他組件，提高系統整體性能和經濟性。
“服務國家重大戰略🌙，推進全球能源綠色化，是我們團隊一直以來的夢想👨🏼💻。”張波期待地說，希望科研成果不僅上“書架”，更能上“貨架”。
EON体育4平台高分子科學系專任副研究員石文娟💅🏼、化學系青年研究員申同昊為論文共同第一作者，EON体育4平台高分子科學系張波教授📵、徐一飛青年研究員、以及化學系段賽青年研究員、徐昕教授為論文共同通訊作者⛩，EON体育4平台為本工作的唯一完成單位。該研究得到了國家自然科學基金🏊🏻♀️、科技創新2030-“量子通信與量子計算機”重大項目、上海市浦江人才等經費的支持。
論文鏈接🎃：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3149
