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| 中國海洋大學(xué)在陰離子交換膜電解水制氫研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展 |
| http://massageforegolfers.com 2026年3月2日 來源：華禹教育網(wǎng) |
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近日，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黃明華教授課題組在陰離子交換膜電解水制氫（AEMWEs）領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果分別發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie International Edition（《德國應(yīng)用化學(xué)》）和ACS Nano（《美國化學(xué)會(huì) 納米》）。
開發(fā)電解水制氫等清潔高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，是構(gòu)建綠色氫能經(jīng)濟(jì)的重要途徑。AEMWEs因兼具成本優(yōu)勢與環(huán)境友好特性，在可持續(xù)制氫領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，其陰極析氫反應(yīng)（HER）在堿性條件下涉及額外的水解離步驟及多種反應(yīng)中間體的協(xié)同轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致高電流密度下反應(yīng)動(dòng)力學(xué)顯著受限，傳統(tǒng)針對(duì)單一步驟的優(yōu)化策略難以突破這一瓶頸。因此，亟需構(gòu)建具有協(xié)同活性位點(diǎn)的高效HER催化劑，并系統(tǒng)揭示其多基本反應(yīng)步驟之間的內(nèi)在耦合機(jī)制，以推動(dòng)高性能AEMWE體系的發(fā)展。
針對(duì)上述問題，課題組巧妙地將生物酶催化中的“正反饋”與“級(jí)聯(lián)催化”概念引入電催化析氫反應(yīng)（HER）領(lǐng)域，成功設(shè)計(jì)出一種氮摻雜碳負(fù)載的NiRu雙單原子與合金團(tuán)簇催化劑（Ni1Ru1-NiRu@NC）。在該催化劑中，原子態(tài)Ni與合金化Ni可精細(xì)調(diào)控鄰近Ru的電子結(jié)構(gòu)，形成同時(shí)包含缺電子Ru位點(diǎn)（作為路易斯酸中心）和富電子Ru位點(diǎn)（作為路易斯堿中心）的結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建出獨(dú)特的同源受阻路易斯酸堿對(duì)。該酸堿對(duì)協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)高效析氫，其中酸位點(diǎn)負(fù)責(zé)高效解離水分子并提供質(zhì)子，產(chǎn)生的質(zhì)子通過快速氫溢流傳遞至相鄰堿位點(diǎn)，進(jìn)而結(jié)合生成氫氣；而堿位點(diǎn)對(duì)質(zhì)子的快速消耗反過來驅(qū)動(dòng)酸位點(diǎn)持續(xù)進(jìn)行水分子解離，形成自增強(qiáng)的正反饋催化循環(huán)。該催化劑在電流密度高達(dá)1.0 Acm⁻²時(shí)，過電位僅為246mV，且可穩(wěn)定運(yùn)行超過800小時(shí)。以其組裝的電解槽在1.0 Azcm⁻²電流密度下持續(xù)運(yùn)行超過1000小時(shí)，衰減率僅為0.015mV h⁻¹。該工作提出了一種基于正反饋驅(qū)動(dòng)的耦合策略，實(shí)現(xiàn)了HER各基元步驟的級(jí)聯(lián)加速，為高效堿性析氫催化劑的設(shè)計(jì)及陰離子交換膜水電解槽的實(shí)用化提供了新思路。相關(guān)成果以“Positive Feedback-Driven NiRu Frustrated Lewis Pairs Catalyst Enables a Self-Reinforcing Catalytic Cycle for Cascade-Coupled Hydrogen Production”（正反饋驅(qū)動(dòng)的NiRu受阻路易斯酸堿對(duì)催化劑實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)耦合產(chǎn)氫的自增強(qiáng)催化循環(huán)）為題，發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition（《德國應(yīng)用化學(xué)》）。
圖1. 堿性析氫反應(yīng)中催化劑正反饋機(jī)制的研究
同時(shí)，課題組還構(gòu)建了一種基于氨基功能化NiRu金屬有機(jī)框架（MOF）的FLPs催化劑。在該催化劑中，氨基基團(tuán)與金屬Ni位點(diǎn)自發(fā)形成FLPs協(xié)同活性中心，能夠顯著促進(jìn)水分子吸附與解離，生成質(zhì)子并在局部構(gòu)建有利于質(zhì)子遷移的酸性微環(huán)境。同時(shí)，氨基基團(tuán)通過電子調(diào)控效應(yīng)調(diào)變鄰近Ru位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，降低其氫脫附能壘，并利用連續(xù)的短程氫溢流通道加速氫物種的釋放，從而整體提升堿性析氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。得益于上述協(xié)同機(jī)制，該催化劑在工業(yè)電流密度下展示了優(yōu)于商業(yè)鉑基催化劑的HER活性與耐久性。以其組裝的AEMWE表現(xiàn)出較低槽壓（1.76 V @ 0.5 A cm-2）與較高能量效率（71.2%）。該研究為高效、長壽命析氫催化劑的理性設(shè)計(jì)提供了新的思路。相關(guān)成果以“Frustrated Lewis Pairs Enable Continuous Short-Range Hydrogen Spillover for Industrial-Scale Hydrogen Evolution”（受阻路易斯對(duì)促進(jìn)連續(xù)短程氫溢流以實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模析氫反應(yīng)）為題發(fā)表于ACS Nano（《美國化學(xué)會(huì) 納米》）。
圖2. 堿性/中性介質(zhì)中用于析氫反應(yīng)的MOF催化劑體系的氫溢流示意圖
這些發(fā)現(xiàn)深化了對(duì)于受阻路易斯酸堿對(duì)催化劑在高效析氫反應(yīng)中的協(xié)同催化機(jī)理及結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的認(rèn)識(shí)，為陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展提供了關(guān)鍵理論依據(jù)與材料支撐。該系列研究工作得到了國家自然科學(xué)面上基金、國際（地區(qū)）合作與交流項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金等資助，中國海洋大學(xué)為第一通訊作者單位。
文/圖：童科程
文章鏈接：
https://doi.org/10.1002/anie.202523215
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c13246
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