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華中科技大學材料學院李箐教授團隊在高性能電解水制氫領域取得重要進展

文章來源：新能源網更新時間：2025-03-27 14:56:43

氫能發展對解決能源和環境問題至關重要，水電解制氫是實現其商業化的重要途徑。在各種電解水技術中，陰離子交換膜水電解（AEMWE）因其使用非銥基催化劑而具有顯著的成本優勢，能夠在工業規模（≥1 A/cm²）的輸出電流密度下顯著降低成本。然而，在AEMWE的陰極氫析出反應（HER）中，活性氫的供應依賴于動力學緩慢的水解離過程（Volmer步驟），這導致目前商業催化劑的活性難以達到大規模商業應用的性能要求。因此，開發高性能的陰極電催化劑以提升堿性HER的活性對于AEMWE的商業化至關重要。釕（Ru）基催化劑因其較低的成本、較低的水解離能壘和與鉑（Pt）相當的氫吸附能力，被認為有潛力替代傳統的Pt基催化劑。

本研究采用電化學鋰化策略，將鋰嵌入直徑小于2納米的釕錫（Ru-Sn）合金納米線晶格中。通過調控鋰離子電池組裝過程中的截止電壓與電流密度，可實現鋰含量的精準調節。在電化學測試過程中，納米線晶格中鋰的部分溶解進一步提升了樣品的析氫反應性能。通過原位拉曼光譜與原位X射線吸收光譜，揭示了電化學過程中電極結構及界面水分構型的動態演變規律。理論計算表明，鋰的嵌入可有效降低釕錫納米線的水解離能壘，而溶解的Li+通過與更多水分子配位，可顯著增加界面水分子密度并提升氫鍵網絡的連通性。

本研究得到的鋰化的釕錫（Li-Ru-Sn）納米線在實驗室環境中表現出了卓越的性能，在電流密度達到300 mA cm-2時，其過電位僅為130 mV，而在穩定性測試中，該樣品在該電流密度下的過電位降低至97 mV，隨后穩定運行。以該催化劑作為陰極組裝的AEMWE也展現了非凡的表現，在1 A cm2的工業級大電流密度下，以較低的槽壓（1.689 V）穩定運行1000小時以上。以上測試結果表明，本研究制備的Li-Ru-Sn納米線是目前文獻中報道的性能最優異的堿性HER催化劑之一。該研究得到了國家重點研發計劃（2021YFA1600800）、國家自然科學基金（U24A20499、22479056、22122202）、中央高校基本科研業務費（5003110132）以及華中科技大學-悉尼科技大學關鍵技術合作種子基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c17373

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