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隨著全球能源危機和環境污染問題日益嚴峻，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（HER）與電催化析氧反應（OER）組成的水全解技術是制取氫氣的有效方法。然而，傳統電催化劑多依賴貴金屬，其高昂的成本、有限的儲量以及穩定性問題，嚴重制約了氫能源產業的規模化發展。

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

在材料性能優化方面，團隊對晶體生長過程進行調控，使催化劑具備由納米囊膜包裹納米點簇網絡的獨特微觀形貌，納米囊膜上的孔洞和裂縫極大地增加了反應活性面積。同時，通過精確調控摻雜比，進一步優化材料的d帶中心，有效降低了反應決速步的活化能。經過一系列優化，該催化劑展現出一流的活性，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Pt/C催化劑接近，遠超其他近期報道的相關材料。

從技術創新角度來看，該研究成果亮點頻出。團隊采用第一性原理計算篩選高活性催化劑，摒棄了傳統的高耗時實驗篩選方法，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，還具備獨特的擴散機制。此外，新研發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。

在應用場景方面，該催化劑可廣泛應用于電催化水全解制氫領域，無論是實驗室小規模制備，還是工業級大規模生產，都展現出良好的應用前景。專家認為，提升電催化劑活性有助于提高質子交換膜電解槽的性能并降低設備成本。隨著可再生能源發電成本的持續降低，綠氫在未來能源結構中的占比將逐年上升，預計2050年將達到70%。

該催化劑所產生的綠氫在多個領域具有廣闊的應用前景。在交通領域，氫燃料電池在公路長途運輸、鐵路、航空及航運等方面有望得到廣泛應用，助力減少碳排放；在工業領域，氫能可作為能源燃料和重要工業原料，幫助石油化工和鋼鐵工業實現節能減排；在建筑領域，氫能與建筑融合，實現熱電聯供，提高能源使用效率，完善家庭電網，減少能源消耗；在軍事領域，氫燃料電池可提升潛艇的靜謐性和推進效能；在電力領域，電解水制氫結合氫儲能，能夠解決電網削峰填谷和新能源并網穩定性問題。

東北大學秦皇島分校學子的這一研究成果，為氫能源產業的發展注入了新的活力，有望推動我國在綠色能源領域取得更大突破，在全球能源轉型進程中發揮重要作用。未來，團隊將繼續深入研究，進一步優化催化劑性能，加速其產業化應用進程。

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