由香港大學周振榮教授領(lǐng)導的國際研究團隊成功開發(fā)出一種新型催化劑，有望解決大規(guī)模生產(chǎn)綠色氫氣過程中的一個關(guān)鍵技術(shù)難題。這項創(chuàng)新使得在當前主流的質(zhì)子交換膜電解槽所必需的強酸性環(huán)境中，也能高效、穩(wěn)定地生產(chǎn)氧氣，從而提升整個制氫過程的效率。
該研究團隊由香港大學機械工程系的博士研究生林慈牽頭，相關(guān)成果已發(fā)表在《ACS能源快報》期刊上。綠色氫氣被視為推動鋼鐵、化工、運輸?shù)榷鄠�高排放行業(yè)脫碳的重要清潔燃料。其中，質(zhì)子交換膜電解槽因其結(jié)構(gòu)緊湊、響應迅速而受到青睞，但其在強酸性條件下運行，對負責析氧反應的催化劑要求極高。目前普遍使用的催化劑依賴銥等稀有貴金屬，成本高昂，而其他替代材料往往耐久性不足，制約了綠色氫氣的規(guī)模化與商業(yè)化應用。
研究團隊提出的解決方案是一種新型復合催化劑。該催化劑由分散在氧溴化錳微顆粒上的單個釕原子構(gòu)成。在電解過程中，催化劑表面能自發(fā)“動態(tài)重構(gòu)”，形成一層極薄的保護層。這層保護膜如同皮膚，既能有效保護催化劑核心結(jié)構(gòu)免受強酸性環(huán)境的腐蝕，又能維持其高催化活性，從而實現(xiàn)長期穩(wěn)定、高效地產(chǎn)氧。
通過先進的表征技術(shù)與計算機模擬，研究人員證實，這種自形成的保護層能夠引導化學反應朝向更高效、更安全的路徑進行。它促進了直接由水生成氧氣的過程，同時抑制了可能破壞催化劑結(jié)構(gòu)的副反應。實驗室測試數(shù)據(jù)顯示，該催化劑在啟動制氫反應時僅需增加208.3毫伏的電壓即可達到典型工作電流密度。在標準條件下，其連續(xù)穩(wěn)定運行時間超過1400小時而性能未發(fā)生明顯衰減，在高電流密度下也能穩(wěn)定運行超過200小時。
周振榮教授對此評論道：“這種方法可以指導下一代清潔氫能和其他電化學過程材料的開發(fā)，加速綠色能源解決方案在航運、航空、電網(wǎng)和長期儲能等行業(yè)的應用�！� 這項研究不僅展示了一種在酸性介質(zhì)中兼具高效率、長壽命且釕用量少的催化劑，也為未來設計通過自重構(gòu)機制實現(xiàn)自我保護的耐用催化劑提供了新的設計思路。
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