近年来，氢气凭借零污染、高热值等特性，成为全球能源转型的重要选项。《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》明确，加快氢能技术研发和示范应用，探索在工业、交通运输、建筑等领域规模化应用。然而，氢能的大规模应用仍面临着成本高昂等诸多问题。
北京时间2月14日，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程全国重点实验室张波教授团队、徐一飞青年研究员团队联合化学系徐昕教授团队在《科学》杂志（Science）发表关于质子交换膜电解水装置（PEMWE）催化剂的最新研究成果题为《熟化诱导嵌入形成的超稳定析氧反应电催化剂》。这一历时三年研发的电解水制氢成果通过创造性的催化剂设计思路，大幅提高制氢效率和稳定性，为绿色氢能可持续发展提供技术支撑。
在绿色氢气的生产过程中，PEMWE电解水（质子交换膜电解水）技术是当前最为前沿的技术之一，其高效分解水产生氢气的能力使其在全球绿色氢能的产业化进程中占据重要地位。然而，PEMWE技术的广泛应用仍面临几个技术瓶颈，其中最主要的挑战之一便是催化剂。PEMWE依赖于析氧反应（OER）催化剂，这一催化过程的效率直接决定了整个电解水反应的能效与经济性。目前，铱及其氧化物是唯一可以在PEMWE高酸性环境下稳定工作的催化剂。作为一种贵金属，铱价格昂贵，这对大规模部署PEMWE电解水系统构成了巨大的经济障碍。同时，铱基催化剂的催化活性和稳定性尚无法满足未来绿色氢能产业的需求。
开发一种低成本、高效、稳定的OER催化剂，成为全球学术界和工业界迫切需要解决的核心问题。为突破这一瓶颈，张波团队提出一种创新的催化剂设计方案——将氧化铱纳米颗粒嵌入在氧化铈载体中，形成一种稳定且高效的负载型催化剂，将铱的用量降低了85%，并且大幅提升了催化效率，使器件整体能效提升了65%。
张波打了个比方：“形象地来说，负载型催化剂看上去就像我们早餐吃的麻球。‘麻球’表面的‘芝麻’就是氧化铱。正是这些‘芝麻’在发挥催化作用。”但这种结构导致一个问题——电解水制氢过程中会产生大量气泡，不断冲刷催化剂，导致粘附在“麻球”上的“芝麻”很容易脱落，从而造成催化剂的失活。
如何才能让“芝麻”不容易脱落？张波想到了牙齿：“牙齿是种在牙床上的。如果把‘芝麻’一半嵌在‘麻球’里，一半露在外面，那么即便气泡再怎么冲刷，‘芝麻’也不会轻易脱落了。”
在“麻球”上“种芝麻”的想法提出后，还需要理论计算团队与实验团队的合作，才能“梦想成真”。在PEMWE电解水制氢系统中，需要通过严密的理论计算让“麻球”生长的速度和表面“芝麻”生长的速度相匹配，才能使其恰好达成一半在外一半嵌入的效果。徐昕教授团队通过自主研发的算法，实现了百万原子级催化剂在数小时内生长过程的精确理论模拟。
实验上，尖端科研仪器的应用，使得催化剂合成生长过程能够“眼见为实”。基于张波团队提出的假设，利用冷冻透射电镜(CryoTEM)以及冷冻断层扫描技术（CryoET），高分子科学系徐一飞青年研究员通过时间分辨的合成过程，清楚地看到“芝麻”颗粒怎么长大、怎么嵌入。
团队对催化剂在溶液中的形成过程及最终形貌进行了原位高分辨三维观测，有效确认了该合成策略的有效性。对该催化剂进行长达6000小时的PEMWE工况测试结果表明，合成的嵌入式催化剂有效地防止了铱颗粒的溶解、脱落和团聚，显著提高了催化剂在长期运行中的活性和稳定性。根据实验结果估算，由此制备出来的产品寿命高达15年以上。
三年研发让张波感受到学科交叉合作的重要性：“团队协作相当重要，就像一个水桶，只有每块板都很长，拼出来的水桶才足够高。不同学科背景的团队发挥所长、共同攻关，最终方能解决复杂问题。”
本次研究成果将为实现我国以及全球碳中和目标提供关键技术支撑。未来，团队计划进一步基于自主建立的中试生产线以及CryoTEM、原位拉曼、全原子KMC模拟等先进研究手段，拓展低成本、高活性、高稳定性的催化剂材料的持续研究，为绿色氢气生产提供更多创新方案，并进一步优化PEMWE系统的其他组件，提高系统整体性能和经济性。张波说：“服务国家重大战略，推进全球能源绿色化，是我们团队一直以来的梦想。希望科研成果不仅上‘书架’，更能上‘货架’。”
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