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西湖大学创造电解水制氢催化剂新纪录
发布时间:2024-08-21   杭州日报

一款新型催化材料被浸在碱性水中,表面源源不断地产生气泡,它已经在大电流密度下稳定工作了19000小时。也就是说,两年多时间过去了,这个小小方块毫无衰退的迹象。

这是阴离子交换膜电解水制氢(AEM-WE)的实验现场。此前,AEM-WE技术受制于氧气析出反应,催化剂难以在大电流密度下维持太久,一直没有实现工业化。西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心(下文简称“中心”)孙立成教授团队在这一材料上获得重大突破,成功合成可用于电解水制氢的非贵金属催化剂——CAPist-L1,其催化效率和稳定性远优于已公开报道过的催化剂,相关成果近日发表于国际顶级学术期刊《自然·催化》上。

孙立成团队在相关领域进行了二十多年探索,没想到一次实验中的意外,神奇地完成了“助攻”,成了上天眷顾的“临门一脚”。时间拉回到2022年4月,当时在中心做博士后的李志恒,在一次利用浸泡法制备催化剂时,不小心把乙醇(酒精)当作去离子水使用,结果发现新长出来的催化剂,氧气析出性能居然非常不错。诧异之下,研究团队把样品拿到电镜下——发现这种催化剂如同花朵一样层层叠叠。孙立成当时就给它取名为“绣球花”,并且凭借经验判断,这种层叠结构很可能有不错的催化稳定性。

但为什么会这样?李志恒非常困惑,与另一位博士后林高鑫一起研究。通过对CAPist-L1成分、结构和形貌等逐项分析,团队终于发现在催化层和金属基底之间存在一层致密过渡层。正是致密过渡层的存在,将催化层牢牢地锚定在金属基底上,提升了催化剂的活性和稳定性。随着研究的深入,研究人员发现,过渡层并非在催化剂形成初期产生,而是在浸泡4小时后,才开始缓慢出现……这相当于,先建了一栋房子,然后再打地基,却十分牢固。

电解水制绿氢是“双碳”背景下实现能源转型的重要技术之一。看起来是实验中的一次意外,却让人类离高效制造绿色氢气又近了一步。这背后,离不开实验室长期的探索所带来的准确经验判断和敏锐的直觉。

来源:杭州日报    作者:记者 王泽英 通讯员 张弛    编辑:李佳萌