前沿院高传博团队在电解水高效耐久析氧催化剂领域取得重要进展
2026/04/25
氢能作为全球能源转型与实现“双碳”目标的关键载体,其规模化制备高度依赖质子交换膜电解水(PEMWE)技术。然而,在阳极析氧反应(OER)过程中,催化剂长期处于酸性、高氧化电势的极端环境,对其稳定性与耐久性提出了严峻挑战。传统钌/铱基氧化物催化剂虽具有较高活性,但在高电势下易发生过度氧化,进而导致材料溶解与性能衰减,严重限制了电解槽的服役寿命。
长期以来,学界普遍认为金属态材料在酸性强氧化环境中难以稳定存在,因此OER催化剂研究主要集中于氧化物体系的优化与改进。然而,这一思路本质上仍未摆脱“氧化—溶解”失效路径的约束。若能够通过结构与电子调控手段稳定金属态、抑制其向氧化物转化,则有望从根本上规避传统氧化物催化剂的失效机制,为构建高活性、长寿命OER催化体系提供全新路径。
针对上述挑战,高传博教授团队提出了一种通过调控合金“亲氧性”以提升抗氧化与抗腐蚀能力的策略。研究团队利用“空位扩散辅助合金化”机制,突破银与钌、铱之间的热力学不互溶限制,成功构筑了组分均匀的亚稳态AgRuIr合金纳米笼结构。Ag的引入显著降低了合金体系的亲氧性,抬升了氧原子嵌入金属晶格的能垒,从而有效抑制了金属催化剂的氧化进程,使其在反应过程中能够稳定维持金属态结构,避免过度氧化引发的溶蚀失效。该催化剂在PEMWE电解槽中表现出优异的综合性能:在工业级电流密度1 A cm–2条件下,槽电压仅为1.73 V,并可稳定运行超过1500小时,每千小时的电压衰减率不足1 mV,金属溶解率仅为0.5–0.7%,位列当前高耐久性OER催化剂的前列。
该研究成果以《抗氧化AgRuIr合金纳米笼用于质子交换膜电解中高效且持久的析氧反应》(Oxidation-resistant AgRuIr alloy nanocages for efficient and enduring oxygen evolution in proton exchange membrane electrolysis)为题发表在国际权威期刊Nature Communications。西安交通大学为论文通讯单位。西安交通大学博士生王笑笑、苏州大学博士生余沛平、西安交通大学博士生刘墨宣为论文共同第一作者,高传博教授为论文通讯作者。
该研究得到了国家自然科学基金、陕西省杰出青年科学基金及中央高校基本科研业务费等项目的资助。
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