新型催化劑破解電解水制氫低效高耗能難題

記者31日從昆明理工大學獲悉，該校冶金與能源工程學院徐瑞東教授團隊聯合東南大學、瑞士洛桑聯邦理工學院、美國西北大學等機構學者合作，研發了一種新型非貴金屬電催化材料，為解決堿性條件下電解水制氫效率低、能耗高的行業難題提供新方案，助力綠色氫能規模化生產。相關成果發表在《先進功能材料》上。

電解水是綠色氫能生產的關鍵技術，但在堿性環境中面臨兩大瓶頸：一是析氫反應中某一基元步驟反應速度緩慢，二是析氧反應需完成四質子耦合電子轉移，兩者共同導致產氫效率低、能耗高。目前性能優異的催化劑多依賴貴金屬，如部分銥、釕氧化物及鉑碳材料，但其成本高昂且資源稀缺，難以滿足大規模應用需求。因此，研發同時具備高活性析氫與析氧性能的非貴金屬雙功能催化電極，成為行業突破重點。

為破解這一難題，徐瑞東教授團隊創新性提出“一步異質成核”策略，成功制備出非晶態硫化鎳與晶態銅復合的電催化材料，并通過精準調控電子結構，顯著提升材料全解水性能。

團隊結合實驗與理論計算發現，該材料的優異性能源于三重作用機制：一是硫原子聚集的正電荷，大幅加快析氫反應第一電子轉移過程動力學；二是銅位點優化的d帶結構，平衡了反應中氫中間體的吸附與脫附過程，避免吸附過強或過弱影響熱力學效率；三是材料界面間的強相互作用，促使表面結構重構，削弱析氧反應關鍵中間體的吸附強度，進一步優化反應動力學。

在實際應用測試中，這種新型催化材料表現突出——在陰離子交換膜電解槽中，僅需1.49伏的槽電壓，就能驅動10毫安每平方厘米的電流密度，展現出優異的全解水性能。

此項研究不僅揭示了非晶、晶態異質結構復合材料電子調控機制，更從原子層面為設計低成本、高性能水分解電催化材料提供新思路，對推動綠色氫能技術規模化應用具有重要意義。

（昆明理工大學冶金與能源工程學院供圖）