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华南理工大学最新Nature Catalysis: 地球丰产金属酸性析氧催化剂助力大规模制氢

邃瞳科学云

2024-12-18

导读：本研究系统地讨论了器件层面到催化剂电子结构层面的衰减机理及催化剂在酸性环境中的溶解过程。

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2024年12月17日，国际顶级期刊《Nature Catalysis》在线发表了华南理工大学环境与能源学院赵伯特教授团队题为《Earth-abundant electrocatalysts for acidic oxygen evolution》的相关成果，这标志着华南理工大学环境与能源学院首次在《Nature Catalysis》上发表学术论文。

质子交换膜（PEM）水电解作为绿色氢气生产的前沿技术，具有广阔的应用前景，但其广泛商业化进程受限于贵金属基析氧反应（OER）催化剂的高成本和稀缺性。目前，唯一商用的PEM电解槽阳极OER催化剂是贵金属基的氧化铱。然而，铱金属（Ir）近5年的平均市场价格高达58000美元/磅，远高于地球丰产金属如钴（Co，19美元/磅）、铁（Fe，0.26美元/磅）和锰（Mn，1.5美元/磅）。此外，贵金属的稀缺性进一步阻碍了PEM电解槽的大规模应用。例如，实现太瓦级规模将需要大约相当于40年铱的生产量。因此，利用低成本且资源丰富的元素替代贵金属，不仅能显著降低成本，还有助于推动绿色氢气的大规模制备。

针对低成本丰产金属酸性析氧反应催化剂在酸性溶液中稳定性较差、开发难度较大以及应用于器件中的困难等挑战，华南理工大学环境与能源学院赵伯特教授团队系统地讨论了器件层面到催化剂电子结构层面的衰减机理及催化剂在酸性环境中的溶解过程。并结合先进的表征技术、Pourbaix图、动力学分析等深入分析催化衰减机理。基于现有的理论研究和实验数据，通过对不同材料和催化剂设计策略的电化学数据进行系统分析，提出下一代低成本丰产金属酸性析氧催化剂的设计指南。最后，论文总结了该领域的关键科学挑战，并展望了未来的发展方向。

环境与能源学院博士生万仁典为本文第一作者，博士生袁腾辉、王柳晨、李冰共同参与，赵伯特教授为通讯作者，华南理工大学为第一完成单位。该论文得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广州市基础研究计划、中央高校基本科研业务费、国家重点研发计划、以及广东省引进创新创业团队计划的大力支持。

图文导读

地球丰产金属价格优势

图1 贵金属和地球丰产金属的近5年价格

衰减机理：从器件层面到催化剂电子结构层面

图2 酸性OER条件下不同尺度的衰减机理

典型表征技术

图3 用于研究酸性OER的典型表征技术

电催化剂的热力学和动力学稳定性

图4 酸性OER催化剂中常用丰产金属的Pourbaix图

丰产金属催化剂的设计策略

图5 丰产金属酸性OER催化剂策略汇总及性能和稳定性对比

作者介绍

万仁典，本文第一作者，华南理工大学环境与能源学院2022级博士生。主要从事用于PEM电解槽析氢/析氧催化剂材料的开发及器件性能研究，取得了一系列的研究成果。近五年在国际著名期刊上发表多篇SCI期刊论文，包括Nat. Catal., Nano Lett., J. Energy Chem., J. Mater. Chem. A等。

赵伯特教授、博导，本文通讯作者，海外高层次引进人才，Clarivate全球“高被引科学家”，2022 Energy & Fuels Rising Star。长期致力于环境与能源领域高效电催化剂和快速储能材料的理性设计、可控合成与原位表征，聚焦动态电催化设计。至今在Nature Catalysis, Nature Energy和Nature Communications等SCI期刊发表论文110余篇，引用超过13000余次，个人h因子66。相关成果被Science Daily等几十家媒体报道。担任 Swiss National Science Foundation，Croatian Science Foundation评审专家，以及Chemical Society Review等70余个期刊审稿人。获海外高层次引进人才、国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金（青基、面上）、广东省引进创新创业团队项目等项目支持。