电子科技大学材料学院夏川教授团队在Nature Communications报道低铂析氢催化剂用于高效PEMWE电解制氢
2025/05/21
72近日，电子科技大学材料与能源学院夏川教授团队在国际高水平期刊Nature Communications上发表了题为“Sustainable and cost-efficient hydrogen production using platinum clusters at minimal loading”的研究性论文，报道了低铂催化剂用于高效PEMWE电解制氢。材料与能源学院博士一年级研究生曾洪亮、复旦大学化学系陈征博士为共同第一作者，材料与能源学院夏川教授、江秋副教授和复旦大学化学系徐昕教授为共同通讯作者，电子科技大学材料与能源学院为第一通讯单位。
在全球碳中和战略的推动下，”绿氢”（通过可再生能源电力驱动的电解水制氢）因其零碳排放特性，被视为未来能源体系的关键载体。国际能源署（IEA）预测，到2050年，绿氢将贡献全球能源需求的10%–18%，尤其在钢铁、化工和长时储能等难以电气化的领域发挥核心作用。然而，绿氢的大规模推广仍受制于电解水技术的效率、成本及与可再生能源的适配性。其中，质子交换膜水电解槽（PEMWE）因其具备低欧姆阻抗、高工作电流密度以及产物氢气纯度高等技术优势，展现出与间歇性可再生能源最优的系统兼容性。然而，该技术实现大规模商业化应用的关键制约因素在于电解槽（尤其是膜电极组件中阴/阳极催化剂）的制造成本。
近年来，虽然非贵金属催化剂的研发已取得显著进展，但基于铂族金属（PGM）的催化剂体系仍保持不可替代的地位；金属铂（Pt）凭借其卓越的本征活性和电化学稳定性，目前仍是商业PEMWE阴极析氢反应（HER）的首选电催化剂。早期研究表明，通过配位环境调控和载体界面工程可有效优化Pt的电子结构，同时采用空间限域效应或几何位阻策略能够抑制Pt纳米颗粒的奥斯特瓦尔德熟化。基于此，该研究创新性地设计了一种基于MXene材料（Mo2TiC2）负载的铂纳米团簇催化剂（Pt nanocluster, PtNC），该Mo2TiC2-PtNC复合催化剂展现出优异的HER活性和长期稳定性。
图1.低Pt催化剂的合成与结构表征
研究人员以Mo2TiC2为载体，通过水热法将PtNC均匀分散于Mo2TiC2表面。通过扩展X射线吸收精细结构拟合分析，PtNC通过Pt-Mo键合锚定于Mo2TiC2表面。实验表征与理论模拟揭示了Mo2TiC2与PtNC之间明显的电荷转移，促使d带中心下移，并优化H*吸附自由能，使得Mo2TiC2-PtNC具有相当于商业铂碳(Pt/C)催化剂的析氢活性。其中，动力学决速步均为最优的Volmer-Tafel过程。
另外，Mo2TiC2表面的氧端基屏障使得PtNC具有高扩散势垒，抑制了PtNC的迁移团聚，促使Mo2TiC2-PtNC具有优异的析氢稳定性。以阴极超低Pt负载(36 μg cm-2)的Mo2TiC2-PtNC与阳极IrO2（1 mg cm-2Ir）组装至PEMWE中，在环境温度下实现了超8700小时(200 mA cm-2)的稳定电解制氢。其中，衰减率仅为2.2 μV h-1，满足DOE的2026年目标(2.3 μV h-1)。另外，在80 ℃的工况电流密度(1 A cm-2)下稳定电解制氢超4800小时。本研究成功开发出一种在酸性介质中性能媲美商业Pt/C的低铂析氢催化剂，其创新性设计显著提升了铂原子利用率和催化稳定性。这一技术突破有望将PEMWE系统的阴极Pt载量降低至Pt/C的1/20，大幅削减电解槽制造成本。
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