【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 化學(xué)與化工學(xué)院王得麗教授團(tuán)隊(duì)在質(zhì)子交換膜電解水制氫領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)在線發(fā)表，題為“Long-Range Atomic Periodicity Unlocks Durable Water Electrolysis”。該工作提出以長程原子周期性調(diào)控異原子鍵密度的新策略，實(shí)現(xiàn)了超低銥負(fù)載下酸性析氧反應(yīng)活性與穩(wěn)定性的同步突破，為質(zhì)子交換膜水電解技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了全新的材料設(shè)計(jì)思路。
 

　　質(zhì)子交換膜水電解是可再生能源制綠氫的核心技術(shù)之一，但陽極析氧反應(yīng)本征動力學(xué)緩慢，且強(qiáng)酸性、強(qiáng)氧化的嚴(yán)苛工況易導(dǎo)致銥基催化劑溶解流失、結(jié)構(gòu)降解，是制約電解槽長周期運(yùn)行的核心瓶頸。當(dāng)前商用銥基催化劑不僅銥用量遠(yuǎn)高于產(chǎn)業(yè)規(guī)?；繕?biāo)，還普遍面臨高電位下結(jié)構(gòu)重構(gòu)失控、穩(wěn)定性衰減快的問題。此前該團(tuán)隊(duì)提出強(qiáng)異原子鍵誘導(dǎo)表面受限重構(gòu)策略，有效提升了Ir-Mn金屬間催化劑的運(yùn)行穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步從原子長程有序性的本質(zhì)維度出發(fā)，探究異原子鍵密度與催化劑本征穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)，以期實(shí)現(xiàn)更低銥負(fù)載、更長壽命的陽極催化劑開發(fā)。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)以Ir3V金屬間化合物為研究對象，通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，系統(tǒng)揭示了長程原子排列對催化界面穩(wěn)定性的調(diào)控機(jī)制。密度泛函理論計(jì)算表明，隨著原子有序度提升，Ir-V強(qiáng)異原子鍵密度顯著增加，一方面優(yōu)化了Ir活性位點(diǎn)的d帶中心，降低OER反應(yīng)決速步能壘，提升本征催化動力學(xué)；另一方面大幅提高了Ir和V原子的脫溶出能壘，從熱力學(xué)根源上抑制活性金屬的溶解流失。晶體軌道哈密頓布居結(jié)果分析進(jìn)一步證實(shí)，高有序的原子網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形成了更強(qiáng)的連續(xù)金屬鍵合網(wǎng)絡(luò)，為催化界面提供了穩(wěn)定的骨架支撐，有效抵御酸性氧化環(huán)境下的結(jié)構(gòu)侵蝕。
 

　　實(shí)驗(yàn)上，團(tuán)隊(duì)通過精準(zhǔn)調(diào)控退火工藝制備了系列不同長程有序度的Ir3V催化劑，驗(yàn)證了異原子鍵密度與OER性能的正相關(guān)規(guī)律。結(jié)合原位拉曼、原位差分電化學(xué)質(zhì)譜、X 射線光電子能譜等多尺度表征，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步闡明了長程有序結(jié)構(gòu)的深層穩(wěn)定化機(jī)制。高密度Ir-V異原子鍵構(gòu)成的剛性原子網(wǎng)格，一方面在反應(yīng)初期抑制Ir活性位點(diǎn)的直接溶出，另一方面在表面重構(gòu)過程中有效遏制晶格氧的持續(xù)參與，驅(qū)動反應(yīng)機(jī)制從晶格氧機(jī)制(LOM)向吸附演化機(jī)制(AEM)轉(zhuǎn)變，避免了晶格氧過度消耗引發(fā)的結(jié)構(gòu)崩塌；同時(shí)有序金屬間內(nèi)核與表面重構(gòu)氧化層之間存在強(qiáng)電子相互作用，抑制了高電位下的過氧化溶解路徑，實(shí)現(xiàn)了催化層的動態(tài)自穩(wěn)定。
 

　　在實(shí)際PEM電解槽單池測試中，該催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的工程應(yīng)用潛力。在僅0.11 mgIr cm-2的超低銥負(fù)載下，80 oC工作溫度時(shí)，3.0 A cm-2工業(yè)級電流密度對應(yīng)的槽電壓僅為1.844 V，優(yōu)于商用IrO2催化劑；在1.0~2.0 A cm-2的動態(tài)電流循環(huán)工況下，器件穩(wěn)定運(yùn)行超過2500小時(shí)，性能衰減速率僅為5.8 μV h-1，達(dá)到目前同類研究的領(lǐng)先水平。經(jīng)測算，系統(tǒng)制氫成本約為0.978美元/公斤氫氣，低于美國能源部2030年1美元/公斤氫氣的目標(biāo)，具備顯著的工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。
 

　　該工作首次在原子層面建立了異原子鍵密度與酸性O(shè)ER催化劑穩(wěn)定性的定量關(guān)聯(lián)，提出了長程原子周期性的催化劑穩(wěn)定化新策略，突破了傳統(tǒng)合金催化劑重構(gòu)失控、穩(wěn)定性不足的局限。這一成果不僅為低銥、高穩(wěn)定陽極催化劑的理性設(shè)計(jì)提供了全新的原子級視角，也為下一代長壽命、低成本PEM水電解系統(tǒng)的開發(fā)奠定了重要的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
 

　　我校為該項(xiàng)工作的第一完成單位及通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院博士生王雙為該論文的第一作者，王得麗教授為論文唯一通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、華中科技大學(xué)基礎(chǔ)研究支持計(jì)劃、新能源化學(xué)與器件111引智計(jì)劃的支持。
 

　　引用：化學(xué)與化工學(xué)院王得麗團(tuán)隊(duì)在質(zhì)子交換膜電解水催化劑領(lǐng)域取得新進(jìn)展-華中科技大學(xué)【引用時(shí)間：2026年10月9日】