質(zhì)子交換膜水電解制氫超低Pt/低Ir催化研究獲進(jìn)展

質(zhì)子交換膜水電解制氫（PEMWE）具有低能耗、寬功率波動(dòng)和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)勢，被認(rèn)為是耦合可再生能源綠電制綠氫的優(yōu)選技術(shù)。但是，PEMWE高度依賴高用量鉑族金屬，制約了其規(guī)模應(yīng)用。近日，中國科學(xué)院上海高等研究院楊輝團(tuán)隊(duì)在PEMWE低貴金屬催化研究方面取得進(jìn)展。

在陰極催化劑研究方面，該團(tuán)隊(duì)通過自發(fā)沉積，在部分氧化的Ru納米粒子表面合成了Cl配體和Ru協(xié)同穩(wěn)定的Pt單原子催化劑——Pt₁Cl_0.5/Ru-NPs@RuO_x。這一催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的析氫反應(yīng)（HER）性能。HER過電位僅13.2 mV，低于商業(yè)Pt/C催化劑。在PEMWE應(yīng)用中，該催化劑Pt用量降至10 μg/cm²，采用Nafion 115膜在2 A/cm²電流密度下電解電壓為1.76 V，并在1 A/cm²下穩(wěn)定運(yùn)行超1000小時(shí)，且運(yùn)行后Pt原子未見團(tuán)聚。研究顯示，Cl配體與Ru載體的協(xié)同作用形成穩(wěn)定的Pt-Cl-Pt配位結(jié)構(gòu)，突破了Pt單原子催化劑器件應(yīng)用穩(wěn)定性的瓶頸。相關(guān)成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。

在陽極催化劑研究方面，該團(tuán)隊(duì)通過硫摻雜改性IrO₂，實(shí)現(xiàn)了氧析出反應(yīng)路徑從傳統(tǒng)吸附演化機(jī)理向晶格氧機(jī)理的切換。硫摻雜誘導(dǎo)IrO₂晶格膨脹，形成非鍵氧態(tài)作為電子犧牲劑，在提升催化活性的同時(shí)維持了Ir-O鍵級(jí)的穩(wěn)定性。團(tuán)隊(duì)通過這一催化劑將Ir用量從1.0~1.5mg/cm²降至0.3 mg/cm²，采用Nafion 115膜與GORE 80μm膜在2.0 A/cm²電密下電解電壓分別為1.77?V與1.69 V，且在1.0 A/cm²下運(yùn)行1000小時(shí)電壓衰減率僅為16.6 μV/h。相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。

上述兩方面的成果分別從陰極Pt單原子穩(wěn)定化和陽極Ir基催化劑機(jī)理調(diào)控出發(fā)，降低了PEMWE對(duì)貴金屬的依賴，為綠氫規(guī)?；a(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。