用“熟化”突破“水变氢”难关

近日，复旦大学张波、徐一飞、段赛、徐昕合作团队通过熟化诱导嵌入技术，成功将贵金属纳米颗粒嵌入金属氧化物载体中，显著增强了催化剂的稳定性，解决了贵金属纳米颗粒溶解、脱落、团聚等难题。今天，相关成果以《熟化诱导嵌入形成的超稳定析氧反应电催化剂》为题，发表于《科学》杂志主刊。该研究通过创新的“熟化诱导嵌入方法”，合成了具有极高催化活性和稳定性的铱/铈嵌入式负载催化剂，在减少贵金属用量的同时显著提高了绿色氢气的生成效率，为水变氢技术迈出关键一步，为绿色氢能的可持续发展奠定了新的里程碑。

氢能应对气候变化

随着全球应对气候变化和能源转型的压力日益加剧，绿色氢气作为一种高效、可持续的能源载体，越来越受到关注。在绿色氢气的生产过程中，质子交换膜水电解技术（PEMWE）是当前最为前沿的技术之一，其高效分解水产生氢气的能力使其在全球绿色氢能的产业化进程中占据重要地位。

然而，PEMWE的广泛应用仍面临技术瓶颈，其中最主要的挑战之一是催化剂的性能问题。目前，铱及其氧化物是唯一可以在PEMWE阳极的强酸性环境下稳定工作的催化剂。但由于铱的价格昂贵且储量有限，这对大规模部署PEMWE系统构成了巨大的经济障碍。

在“麻球”上“种芝麻”

为突破这一瓶颈，复旦大学团队创新性地提出嵌入式负载型催化剂设计方案，显著提升催化效率和活性，同时减少了铱的使用量。张波形象地比喻：“负载型催化剂就像早餐吃的麻球，‘麻球’表面的‘芝麻’是氧化铱，正是这些‘芝麻’发挥催化作用。”但这种结构存在一个问题——电解水制氢过程中会产生大量气泡，不断冲刷催化剂，导致“芝麻”易脱落。如何让“芝麻”不易脱落？张波从牙齿的结构中获得了灵感：“牙齿是种在牙床上的，如果把‘芝麻’一半嵌在麻球里，一半露在外面，那么气泡再冲刷，‘芝麻’也不会轻易脱落了。”

在“麻球”上“种芝麻”的想法提出后，化学系徐昕教授团队采取自主研发的算法，进行严密的理论计算，确保“麻球”生长的速度和表面“芝麻”生长的速度相匹配，从而使其恰好达成一半在外、一半嵌入的效果。否则，如果二者的生长速度失衡，“芝麻”可能被“麻球”全部吞掉，或者只粘附了一点，导致脱落风险增加。研究团队进一步利用纳米晶体在超声和加热作用下发生的自发长大（熟化）过程，通过构建载体生长速率和催化剂成核速率的匹配关系，将铱及其氧化物纳米颗粒嵌入氧化铈载体中，形成了一种稳定且高效的负载型催化剂。

催化剂生长“眼见为实”

尖端科研仪器的应用使得催化剂合成生长过程能够“眼见为实”。高分子科学系徐一飞青年研究员利用冷冻透射电镜以及冷冻电子断层扫描技术，通过时间分辨的合成过程，清楚地观察到“芝麻”颗粒如何长大、如何嵌入，从而实现了对生长速度的精准控制。观测结果与全原子动态蒙特卡洛（KMC）方法的模拟结果相互印证，揭示了超声和加热可以有效加快载体的生长速率，确认了合成策略的有效性。研究团队进一步对该催化剂进行了长达6000小时的PEMWE工况测试，结果显示，各项指标全面超出相关国际标准（如美国国家能源局2026设计指标）。根据实验结果估算，由此制备的PEMWE设备寿命高达15年。

本报记者 张炯强