科技日报记者 王禹涵
氢能被誉为清洁能源的“未来之星”，如何高效、低成本地制备氢气成为科研界与产业界共同关注的焦点。近日，西安交通大学化学工程与技术学院赵旭研究员团队，在阴离子交换膜电解水制氢催化剂方面取得重要进展，为解决阳极催化剂在强腐蚀条件下结构失稳、活性下降的难题提供了新路径。这项研究成果于9月23日发表于《德国应用化学》。
“阴离子交换膜电解槽结合了传统碱性和质子交换膜电解槽的优点，被认为是实现高效低能耗制氢的有力路线，但阳极析氧反应过程中，催化剂容易发生结构重构，导致性能衰减，制约了其大规模应用。”赵旭介绍道。
针对这一瓶颈问题，团队提出了一种“氟介导稳定重构”策略，通过在催化剂制备过程中提前引入氟离子，增强金属与氟的键合作用，从而在电解水工作条件下引导非晶态CoOOH纳米片形成规整化的长程无序结构。
“简单来说，我们像是给催化剂‘预先做了一次稳定性训练’。”赵旭解释道，“氟离子的介入，就像在催化剂骨架中埋入‘锚点’，在后续反应过程中稳定钴位点，使其在强碱、高电位环境下仍能保持有序的非晶结构，从而显著提升活性和耐久性。”
实验表明，该催化剂在阴离子交换膜电解槽中表现出优异的性能：制氢电流达到商用贵金属催化剂的5倍，每标准立方米氢气耗电量仅为3.7千瓦时，且在80℃和工业级电流密度下连续运行1200小时，性能几乎未见衰减。
“这项工作的核心突破，在于我们实现了在真实工况下对催化剂重构行为的‘精准调控’。”团队博士生、论文第一作者赵静璇表示，“这种结构不仅增强了金属与氧的共价性，触发晶格氧参与反应，还通过引入拉伸应变促进氧物种的再生，实现动态平衡。”
赵旭表示，该策略具有工艺简便、易于放大的特点，为开发高性能、低成本的电解水制氢装置提供了新思路，有望推动氢能制备技术向更节能、更稳定的方向发展。
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