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研究背景
質(zhì)子交換膜水電解(PEMWE)是制取高純度“綠氫”的核心技術(shù),但其大規(guī)模應(yīng)用受限于陽(yáng)極析氧反應(yīng)(OER)的高能耗問(wèn)題。傳統(tǒng)催化劑在酸性環(huán)境中面臨兩大挑戰(zhàn):
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高過(guò)電位:OER涉及多步質(zhì)子-電子轉(zhuǎn)移,脫質(zhì)子過(guò)程能壘高;
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活性位點(diǎn)失活:酸性電解質(zhì)中質(zhì)子濃度過(guò)高,導(dǎo)致活性位點(diǎn)被覆蓋。
浙江大學(xué)侯越團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)際研究組提出創(chuàng)新思路:通過(guò)設(shè)計(jì)共價(jià)有機(jī)框架(COF)材料構(gòu)建定向氫鍵網(wǎng)絡(luò),調(diào)控催化劑-水界面微環(huán)境,從而加速質(zhì)子傳遞并穩(wěn)定反應(yīng)中間體。
研究要點(diǎn)
1.材料設(shè)計(jì)
團(tuán)隊(duì)合成了一系列具有不同長(zhǎng)度乙氧基側(cè)鏈的乙烯基連接COF(COF-O(n),其中COF-O(3) 因含最長(zhǎng)親水鏈(三乙氧基),展現(xiàn)出:
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超高質(zhì)子傳導(dǎo)率:80℃下達(dá)396.8 mS/cm,比傳統(tǒng)材料提升近4000倍;
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卓越酸穩(wěn)定性:在12 M HCl中浸泡2天結(jié)構(gòu)完好;
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有序孔道結(jié)構(gòu):層間距可調(diào)(0.31–0.39 nm),為質(zhì)子傳輸提供通道。
2.催化機(jī)制創(chuàng)新
將COF-O(3)與商用RuO?復(fù)合后,通過(guò)原位光譜與理論計(jì)算發(fā)現(xiàn):
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氫鍵網(wǎng)絡(luò)定向水分子:COF的乙氧基與反應(yīng)中間體(*OOH)形成氫鍵,將界面水分子鎖定在“氧朝下”取向;
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穩(wěn)定過(guò)渡態(tài):該構(gòu)象使脫質(zhì)子能壘降低38%(從2.27 eV降至1.65 eV);
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抑制釕溶解:COF骨架向RuO?轉(zhuǎn)移電子,防止活性組分氧化流失。
3.性能突破
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超低過(guò)電位:酸性O(shè)ER僅需218 mV(10 mA/cm²),比商用RuO?低87 mV;
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工業(yè)級(jí)電解性能:PEMWE器件在1.54 V電壓下實(shí)現(xiàn)1 A/cm²電流密度,能耗低至41 kWh/kgH?;
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創(chuàng)紀(jì)錄穩(wěn)定性:200 mA/cm²工業(yè)電流下連續(xù)運(yùn)行>180小時(shí),釕溶出率降低67%。
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