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東北大學(xué)秦皇島分校學(xué)子研發(fā)新型氫能催化劑，助力綠色能源發(fā)展

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-03-12 10:35:29

近日，東北大學(xué)秦皇島分校資源與材料學(xué)院的“氫”緣雙全團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出一種新型非貴金屬基高活性水全解雙功能電催化劑，為氫能源的高效制備提供了新的解決方案。

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，氫能源作為一種清潔、高效的可再生能源，被視為化石燃料的理想替代品。目前，電催化析氫反應(yīng)（HER）與電催化析氧反應(yīng)（OER）組成的水全解技術(shù)是制取氫氣的有效方法。然而，傳統(tǒng)電催化劑多依賴貴金屬，其高昂的成本、有限的儲量以及穩(wěn)定性問題，嚴(yán)重制約了氫能源產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。

針對這一難題，該團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，基于密度泛函理論（DFT）對一系列硫化鎳基電催化劑進(jìn)行第一性模擬與篩選。通過深入研究，他們發(fā)現(xiàn)鈷摻雜硫化鎳具有最高的理論催化活性，鈷取代引發(fā)的d帶中心能級提高是活性提升的關(guān)鍵因素。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了以低成本、儲量豐富的原料，采用一鍋法合成該催化劑，大幅降低了設(shè)備成本和原料成本。

在材料性能優(yōu)化方面，團(tuán)隊(duì)對晶體生長過程進(jìn)行調(diào)控，使催化劑具備由納米囊膜包裹納米點(diǎn)簇網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特微觀形貌，納米囊膜上的孔洞和裂縫極大地增加了反應(yīng)活性面積。同時，通過精確調(diào)控?fù)诫s比，進(jìn)一步優(yōu)化材料的d帶中心，有效降低了反應(yīng)決速步的活化能。經(jīng)過一系列優(yōu)化，該催化劑展現(xiàn)出一流的活性，在100 mA·cm−2的高電流密度下，過電位僅為185 mV，HER活性幾乎與商業(yè)Pt/C催化劑接近，遠(yuǎn)超其他近期報(bào)道的相關(guān)材料。

從技術(shù)創(chuàng)新角度來看，該研究成果亮點(diǎn)頻出。團(tuán)隊(duì)采用第一性原理計(jì)算篩選高活性催化劑，摒棄了傳統(tǒng)的高耗時實(shí)驗(yàn)篩選方法，極大地降低了人力和物力消耗。合成的全新微觀形貌不僅提供了高活性面積，還具備獨(dú)特的擴(kuò)散機(jī)制。此外，新研發(fā)的電催化劑與商用貴金屬催化劑相比成本更低，與氧化物催化劑相比導(dǎo)電性更好，合成過程相較于碳化物、氮化物、磷化物等更加綠色安全。

在應(yīng)用場景方面，該催化劑可廣泛應(yīng)用于電催化水全解制氫領(lǐng)域，無論是實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模制備，還是工業(yè)級大規(guī)模生產(chǎn)，都展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。專家認(rèn)為，提升電催化劑活性有助于提高質(zhì)子交換膜電解槽的性能并降低設(shè)備成本。隨著可再生能源發(fā)電成本的持續(xù)降低，綠氫在未來能源結(jié)構(gòu)中的占比將逐年上升，預(yù)計(jì)2050年將達(dá)到70%。

該催化劑所產(chǎn)生的綠氫在多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在交通領(lǐng)域，氫燃料電池在公路長途運(yùn)輸、鐵路、航空及航運(yùn)等方面有望得到廣泛應(yīng)用，助力減少碳排放；在工業(yè)領(lǐng)域，氫能可作為能源燃料和重要工業(yè)原料，幫助石油化工和鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；在建筑領(lǐng)域，氫能與建筑融合，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，提高能源使用效率，完善家庭電網(wǎng)，減少能源消耗；在軍事領(lǐng)域，氫燃料電池可提升潛艇的靜謐性和推進(jìn)效能；在電力領(lǐng)域，電解水制氫結(jié)合氫儲能，能夠解決電網(wǎng)削峰填谷和新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性問題。

東北大學(xué)秦皇島分校學(xué)子的這一研究成果，為氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力，有望推動我國在綠色能源領(lǐng)域取得更大突破，在全球能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。未來，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深入研究，進(jìn)一步優(yōu)化催化劑性能，加速其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

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