复旦新型绿氢催化剂“争取今年底贸易化”

洪枫

这是一个灵感来自中国传统小吃麻球的重大突破。
复旦大学高分子科学系教授张波与绿氢打交道多年，如何降低生产成本是他整天琢磨的事情。
一次吃着麻球，张波突发奇想：最前沿的PEM(质子交换膜)电解水制氢所需的催化剂，含铱量高达85%，而1克铱的成本是1300元。可否像麻球一样，只在表面覆盖一层催化剂？芝麻容易脱落，他继而遐想到，能不能像种牙一样，把“芝麻”的一半种在“麻球”里？
这一电光石火的灵感，颠末整整3年的合力攻关成为实际，有望直接促进绿氢产业化的加速。复旦大学张波、徐一飞、段赛、徐昕合作团队，首创性地合成了具有极高催化活性和稳定性的铱/铈嵌入式催化剂。北京时间2月14日凌晨，这一里程碑式成果在国际权威学术期刊《科学》发表。
现在，铱及其氧化物是唯一可在PEM阳极的强酸性情况下稳定工作的催化剂，但铱在地壳中的含量非常稀疏，仅为千万分之一，加上其价格不菲，限定了PEM电解水的大规模贸易化。开发低成本、高性能的催化剂，成为迫切必要办理的瓶颈题目。
“听到‘种芝麻’的想法，我们也非常激动。”复旦大学化学系青年研究员段赛告诉记者，“这一想法是否真的可行，必要在理论上做出解释。”
复旦大学化学系徐昕教授团队通过自主研发的算法，细密计算出“麻球”(催化剂载体)和表面“芝麻”(催化剂)各自生长速度的匹配关系，使其恰好达成一半在外一半嵌入的结果。否则，假如二者的生长速度失衡，“芝麻”可能被“麻球”全部吞掉，或只粘附了一点、容易脱落。
假如催化剂的生长过程可以大概“眼见为实”，就能更好地控制生长速度。复旦大学高分子科学系青年研究员徐一飞利用冷冻透射电镜以及冷冻电子断层扫描技术，清楚地看到了“芝麻”长大和嵌入全过程，并揭示了超声和加热可以有效加速“麻球”的生长速率。
在三个团队的合力之下，研究职员利用纳米晶体在超声和加热作用下的自觉长大过程，将“芝麻”(氧化铱)嵌入到“麻球”(氧化铈)中，首创了一种稳定且高效的载体型催化剂，极大地淘汰了铱的用量，破解了这一告急的瓶颈题目。
张波给记者算了一笔账——1克铱的成本高达1300元，而铈在自然界中的储量相对较为丰富，他们首创的铱/铈嵌入式催化剂，使得催化剂的成本降低85%。
另有一个不测之喜——催化剂的能效提升65%。由于一半“芝麻”深度嵌入“麻球”中，它们的相互作用比原来更加剧烈，催化能力更强。
此外，催化剂的稳定性更好，加速老化实验6000小时无衰减。根据实验结果估算，由此制造的PEM装备寿命可达15年以上，而现有装备寿命是10年。
性能、成本和寿命通常被视为一个相互关联和制约的“三角”，基于这种新型催化剂制造的PEM装备不仅有着亮眼的“三角”数据，还在天下上初次实现并打破了美国能源部2026年的PEM电解水装备性能指标。
“我们一方面办理了PEM电解水的痛点，另一方面凡必要载体型催化剂的地方都可以发挥作用，这是一种方法学的推广。”张波说。
张波另有一个身份——山海氢(上海)新能源科技有限公司董事长，这是复旦大学孵化的一家初创企业，地处上海唯一以碳中和命名的产业园。记者在公司实验室看到，一台水桶巨细的装备约莫5天可生产500克载体型催化剂。
“我们正在优化催化剂工艺，争取今年底贸易化。”张波向记者透露。(记者 黄海华)

来源：https://www.toutiao.com/article/7471814120568816182
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