想象未來(lái)有一天，你開(kāi)的電動(dòng)車是氫燃料電池驅(qū)動(dòng)，穿的衣服是用氫氣和二氧化碳制造，燒菜的燃?xì)庠畈辉偈翘烊粴舛菤錃狻?/p>

能源轉(zhuǎn)型時(shí)代，氫能成為重要的能源解決方案，在實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

北京時(shí)間2月14日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張波教授團(tuán)隊(duì)、徐一飛青年研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合化學(xué)系徐昕教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志（Science）發(fā)表關(guān)于質(zhì)子交換膜電解水裝置（PEMWE）催化劑的最新研究成果題為《熟化誘導(dǎo)嵌入形成的超穩(wěn)定析氧反應(yīng)電催化劑》（“Ultrastable supported oxygen evolution electrocatalyst formed by ripening induced embedding”）這一歷時(shí)三年研發(fā)的電解水制氫成果。通過(guò)創(chuàng)造性的催化劑設(shè)計(jì)思路大幅提高制氫效率和穩(wěn)定性，為綠色氫能可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

讓“麻球”上的“芝麻”更堅(jiān)固，催化劑中貴金屬用量降低85%隨著全球應(yīng)對(duì)氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的壓力日益加劇，綠色氫氣作為一種高效、可持續(xù)的能源載體，越來(lái)越受到關(guān)注。在綠色氫氣的生產(chǎn)過(guò)程中，PEMWE電解水（質(zhì)子交換膜電解水）技術(shù)是當(dāng)前最為前沿的技術(shù)之一，其高效分解水產(chǎn)生氫氣的能力使其在全球綠色氫能的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中占據(jù)重要地位。

然而，PEMWE技術(shù)的廣泛應(yīng)用仍面臨幾個(gè)技術(shù)瓶頸，其中最主要的挑戰(zhàn)之一便是催化劑。PEMWE依賴于析氧反應(yīng)（OER）催化劑，這一催化過(guò)程的效率直接決定了整個(gè)電解水反應(yīng)的能效與經(jīng)濟(jì)性。目前，銥及其氧化物（IrO?）是唯一可以在PEMWE高酸性環(huán)境下穩(wěn)定工作的催化劑。作為一種貴金屬，銥價(jià)格昂貴，且在地殼中儲(chǔ)量極為有限，目前地球上已探明的銥儲(chǔ)量?jī)H6400噸，這對(duì)大規(guī)模部署PEMWE電解水系統(tǒng)構(gòu)成了巨大的經(jīng)濟(jì)障礙。同時(shí)，銥基催化劑的催化活性和穩(wěn)定性尚無(wú)法滿足未來(lái)綠色氫能產(chǎn)業(yè)的需求。

因此，開(kāi)發(fā)一種低成本、高效、穩(wěn)定的OER催化劑，成為全球?qū)W術(shù)界和工業(yè)界迫切需要解決的核心問(wèn)題。為突破這一瓶頸，張波團(tuán)隊(duì)提出一種創(chuàng)新的催化劑設(shè)計(jì)方案——將氧化銥納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中，形成一種穩(wěn)定且高效的負(fù)載型催化劑，將銥的用量降低了85%，并且大幅提升了催化效率，使器件整體能效提升了65%。

具體而言，研究團(tuán)隊(duì)利用納米晶體在超聲和加熱作用下發(fā)生的自發(fā)長(zhǎng)大（熟化）過(guò)程，通過(guò)構(gòu)建載體生長(zhǎng)速率和催化劑成核速率的匹配關(guān)系，將IrO?納米顆粒嵌入在氧化鈰載體中，形成一種穩(wěn)定且高效的負(fù)載型催化劑，從而大幅提升催化的效率和穩(wěn)定性（圖3）。

“形象地來(lái)說(shuō)，負(fù)載型催化劑看上去就像我們?cè)绮统缘穆榍颉！榍颉砻娴摹ヂ椤褪茄趸?。正是這些‘芝麻’在發(fā)揮催化作用?！睆埐ù虮确降?。但這種結(jié)構(gòu)就導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題——電解水制氫過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，不斷沖刷催化劑，導(dǎo)致粘附在“麻球”上的“芝麻”很容易脫落，從而造成催化劑的失活。

如何才能讓“芝麻”不容易脫落？張波想到了牙齒：“牙齒是種在牙床上的。如果把‘芝麻’一半嵌在‘麻球’里，一半露在外面，那么即便氣泡再怎么沖刷，‘芝麻’也不會(huì)輕易脫落了?！?/p>

理論計(jì)算+電鏡應(yīng)用，交叉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合驗(yàn)證方法有效性在“麻球”上“種芝麻”的想法提出后，還需要理論計(jì)算團(tuán)隊(duì)與實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的合作，才能讓應(yīng)用場(chǎng)景真正落地。

在PEMWE電解水制氫系統(tǒng)中，需要通過(guò)嚴(yán)密的理論計(jì)算讓“麻球”生長(zhǎng)的速度和表面“芝麻”生長(zhǎng)的速度相匹配，才能使其恰好達(dá)成一半在外一半嵌入的效果。否則，如果二者的生長(zhǎng)速度失衡，可能導(dǎo)致兩種情況：一是“芝麻”被“麻球”全部吞掉，喪失催化活性；二是“芝麻”只粘附了一點(diǎn)，導(dǎo)致脫落風(fēng)險(xiǎn)增加。為了得到兩者之間匹配的生長(zhǎng)速度，化學(xué)系徐昕教授團(tuán)隊(duì)基于“快慢過(guò)程分離”的原則，自主研發(fā)了高效算法，實(shí)現(xiàn)了百萬(wàn)原子級(jí)催化劑在數(shù)小時(shí)內(nèi)生長(zhǎng)過(guò)程的精確理論模擬。理論仿真結(jié)果表明，載體高能面的持續(xù)生長(zhǎng)是將“芝麻”恰好嵌入“麻球”的關(guān)鍵。

實(shí)驗(yàn)上，尖端科研儀器的應(yīng)用，使得催化劑合成生長(zhǎng)過(guò)程能夠“眼見(jiàn)為實(shí)”?；趶埐▓F(tuán)隊(duì)提出的假設(shè)，利用冷凍透射電鏡(CryoTEM)以及冷凍斷層掃描技術(shù)（CryoET）,高分子科學(xué)系徐一飛青年研究員通過(guò)時(shí)間分辨的合成過(guò)程，清楚地看到“芝麻”顆粒怎么長(zhǎng)大、怎么嵌入。

團(tuán)隊(duì)對(duì)催化劑在溶液中的形成過(guò)程及最終形貌進(jìn)行了原位高分辨三維觀測(cè)，有效確認(rèn)了該合成策略的有效性。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論全原子動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛（KMC）模擬相互驗(yàn)證，確認(rèn)了載體和催化劑生長(zhǎng)速度的匹配是將“芝麻”嵌入“麻球”的決定性因素（圖4）。

對(duì)該催化劑進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)6000小時(shí)的PEMWE工況測(cè)試結(jié)果表明，合成的嵌入式催化劑有效地防止了銥顆粒的溶解、脫落和團(tuán)聚，顯著提高了催化劑在長(zhǎng)期運(yùn)行中的活性和穩(wěn)定性。具體來(lái)說(shuō)，在綠氫制備的工業(yè)級(jí)電流密度（3 A/cm2）下，該催化劑的電池電壓低至1.72 V，電壓衰減率僅為1.3 μV/h，膜電極中的貴金屬負(fù)載總量?jī)H為0.4 g/cm2（圖3），全面超出美國(guó)國(guó)家能源局設(shè)計(jì)的2026年國(guó)際指標(biāo)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算，由此制備出來(lái)的產(chǎn)品壽命高達(dá)15年以上。

該成果的三年研發(fā)過(guò)程，讓張波感受到學(xué)科交叉合作的重要性：“團(tuán)隊(duì)協(xié)作相當(dāng)重要，就像一個(gè)水桶，只有每塊板都很長(zhǎng)，拼出來(lái)的水桶才足夠高。不同學(xué)科背景的團(tuán)隊(duì)發(fā)揮所長(zhǎng)、共同攻關(guān)，最終方能解決復(fù)雜問(wèn)題。”

上接光伏儲(chǔ)能、下接工業(yè)脫碳，助力電解水行業(yè)降本增效2020年9月，中國(guó)提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的預(yù)測(cè)，到2050年，全球氫氣需求將達(dá)到約億噸以上，其中大部分來(lái)源于綠色氫氣。本次研究成果將為實(shí)現(xiàn)我國(guó)以及全球碳中和目標(biāo)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

作為國(guó)內(nèi)最早從事電解水研究的團(tuán)隊(duì)之一，張波團(tuán)隊(duì)持續(xù)探索電解水催化機(jī)理、推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研融合多年?！半娊馑茪湎到y(tǒng)上接規(guī)模化的光伏風(fēng)電儲(chǔ)氫，下接工業(yè)深度脫碳，關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，可以滲透到社會(huì)生產(chǎn)生活的方方面面。”張波認(rèn)為。

在上游產(chǎn)氫端，風(fēng)力、光伏發(fā)電與核電、火電的一個(gè)重要區(qū)別，在于受到季節(jié)和氣候限制，是間歇式發(fā)電，不能直接并入國(guó)家電網(wǎng)，而電解水制氫系統(tǒng)可以彌補(bǔ)這一短板，將多余電能及時(shí)轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)、規(guī)?；娜嵝詢?chǔ)能。比如，在夏天能量較多時(shí)，可以將電能變成氫氣儲(chǔ)存起來(lái)，想用電能的時(shí)候再將能量釋放出來(lái)。

在下游脫碳端，二氧化碳可以和氫氣結(jié)合變成甲醇、乙烯等各類化學(xué)品。從這個(gè)角度，工業(yè)上有二氧化碳排放的行業(yè)，例如水泥、鋼鐵、石油加工、煤化工等，都可以運(yùn)用電解水制氫系統(tǒng)產(chǎn)生綠氫，耦合二氧化碳變成高附加值化學(xué)品，推動(dòng)整個(gè)工業(yè)深度脫碳。

當(dāng)前，由于催化劑成本較高，PEMWE電解水制氫技術(shù)在國(guó)內(nèi)只有3%的市場(chǎng)，而國(guó)外則達(dá)到了47%。在本次成果基礎(chǔ)上，張波團(tuán)隊(duì)將致力于將基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合，聯(lián)合企業(yè)開(kāi)展成果轉(zhuǎn)化，提升國(guó)內(nèi)PEMWE技術(shù)的市場(chǎng)份額，助力電解水行業(yè)降本增效。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著PEMWE技不斷發(fā)展，氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓寬，從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域到電動(dòng)交通、分布式發(fā)電、能源存儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域，氫能有望成為未來(lái)全球能源體系的重要組成部分。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步基于自主建立的中試生產(chǎn)線以及CryoTEM、原位拉曼、全原子KMC模擬等先進(jìn)研究手段，拓展低成本、高活性、高穩(wěn)定性的催化劑材料的持續(xù)研究，為綠色氫氣生產(chǎn)提供更多創(chuàng)新方案，并進(jìn)一步優(yōu)化PEMWE系統(tǒng)的其他組件，提高系統(tǒng)整體性能和經(jīng)濟(jì)性。

“服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略，推進(jìn)全球能源綠色化，是我們團(tuán)隊(duì)一直以來(lái)的夢(mèng)想?！睆埐ㄆ诖卣f(shuō)，希望科研成果不僅上“書(shū)架”，更能上“貨架”。

復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系專任副研究員石文娟、化學(xué)系青年研究員申同昊為論文共同第一作者，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系張波教授、徐一飛青年研究員、以及化學(xué)系段賽青年研究員、徐昕教授為論文共同通訊作者，復(fù)旦大學(xué)為本工作的唯一完成單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030-“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、上海市浦江人才等經(jīng)費(fèi)的支持。